基于振动的板架结构损伤识别技术分析

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1、上海交通大学硕士学位论文第一章绪论传感器通常用于连续结构系统需要使用离散分布的传感器进行特征识别的情况。传感器优化布局的目的是实现监测信息的最大化，并能够通过这些信息实现结[7]构系统动力学特征的获取。最优传感器布局能够尽可能减少传感器的数量，提高测试的精度和可靠性。因此，如何优化布置传感器是损伤识别试验中一个非常重要[8][4，的环节。常用于传感器优化布局的方法有有效独立算法(EFI)，机构动能法(KEM)8][8][8][7]，EFI-DPR，变分法(VM)，特征向量积，Guyan缩减法和奇异值分解法，基[4][9

2、]于遗传算法(GA)的优化算法，序列法，环境激励法，基于虚拟菱形网格的传感[7]器节点布置算法等。对于损伤因子的研究，D.W.Nicholson研究了一维梁的损伤识别，并用模态力[5]矩因子(ModalMomentIndex)作为识别损伤的物理量。P.Cornwell从应变能为出发[6]点推导出一维梁和二维平板的损伤识别因子，并用实验作了验证。Jeong-TaeKim在文献11中用模态应变能推导出基于频率的损伤识别因子。Jer-FuWang在文献12中定义了基于模态频率和模态振型得到识别损伤位置和损伤程度的损伤因子SD

3、I(StoryDamageIndex)，并用该SDI评估地震过后建筑的安全程度。对于板架结构的损伤识别研究具有重要的基础研究价值。如隧道结构具有典型的板特征。它的每个表面都近似为板。对其进行损伤识别的研究是研究更加复杂的土木结构损伤识别的基础，也是对材料特性更加复杂的结构进行损伤识别的基础。1.2基于振动的损伤识别方法的研究现状最早监测结构损伤是对土木、机械和航空设备采用渗透局部损伤识别法。现在的局部可视的试验测试法有染色法、超声波法、磁场法、X射线监测法、电涡流法，还有热场的方法。局部损伤识别法是依靠无损检测技术对特

4、定构件进行局部损伤的精确检测和查找。这些局部识别法要求事先知道损伤的局部区域，对于小型有规则的结构，局部损伤识别方法很有效果。在20世纪70到80年代，石油工业为开发海上平台极大的发展了损伤识别技术。这个损伤识别问题不同于机械设备，因为结构的大部分位置无法测量，从而使得损伤的位置不清楚。为了解决这个问题，通常采用的办法是模拟数值模型损伤位置，在共振状态下模拟这些位置的改变，然后将这些改变与平台实验测得的量联系起来。但是在恶劣的环境条件下，比如海平面增长流体储存水平带来质量的改变，基础条件的暂时变化、机械噪声给测试带来很

5、大的困难，以及对海洋波浪激发的高阶模态的无法测试。这些都阻碍了这一技术的应用。2上海交通大学硕士学位论文第一章绪论伴随着航天飞机的发展，在20世纪70年代末和80年代初，航空宇航方面开始研究基于振动的损伤识别。美国国家航空宇航管理空间站继续这一工作，研究在一些部件表面上疲劳损伤的确定，如控制表面、机身面板表面位置的损伤确定。由于这些区域涂上了一层温度保护系统，这使得航天飞机的这些部分无法用常规的无损检测方法去测量。美国国家航空宇航管理空间站成功的解决了这些表面的损伤识别问题。从1987年开始的所有轨道设备都被测试过。空

6、间站的应用极大的推动了试验损伤方法的发展。这些方法是基于无损结构分析模型在有损和无损结构的测试模态属性基础上得到的。使用两种模型的刚度变化确定损伤位置和大小。从20世纪90年代以后，复合材料燃油坦克驱动了复合材料损伤识别的发展。在土木工程方面，从20世纪80年代开始已经开始研究桥梁结构的基于振动的损伤评估，像比如模态振型曲率、动力柔度矩阵等模态属性最初被用来作为桥梁结构的损伤识别特征。但是变化的环境和操作条件给桥梁监测带来了很大的困难。东亚国家授权的建造桥梁公司需在一定周期内监测桥梁的结构健康状况，这使得桥梁监测系统的

7、研究得到了发展。长期以来我国跨越水域均以桥梁为主，但带来了如船舶碰撞桥墩等问题。对于任何结构，尤其是大型复杂结构或不可视结构，用局部损伤识别方法费时，费钱，费力。基于振动的损伤识别方法是一种全局损伤识别方法。将任何结构都看作刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数随即发生改变，从而改变系统的模态参数。所以结构模态参数的改变可视为结构早期损伤发[4]生的标志。损伤识别模态参数有：频率，振型，柔度等。基于振动的损伤识别最基本的假设是损伤会改变结构的刚度，质量或者应变能，反过来通过测试得到的系统的动力学

8、响应来找到这些结构参数的变化，再来找到损伤。基于振动的损伤识别看似很简单，但实际上对它的应用存在很多技术上的挑战。常见的困难是损伤是典型的局部现象，这些局部现象对结构的低频响应不会造成很大影响，而低频响应恰恰是我们能够在振动实验中能够测量到的。同时还会遇到一些其它实际的困难，比如当结构在其他工作环境下在一定数量的测试位置测试结果的