第21卷第2期
JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK
Vol.21No.22002
结构早期损伤识别技术的现状和发展趋势
郑栋梁1 李中付1,2 华宏星2
Ξ
(1.中国人民解放军桂林陆军学院,桂林 541002;2.上海交通大学振动冲击噪声国家重点实验室,上海 200030)
摘 要 本文综述了近几年来结构早期损伤识别技术的方法,对各结构早期损伤识别的方法进行了评述,讨论了
各方法在理论上和实际应用中存在的问题。根据国内外最新文献,指出了结构早期损伤识别技术发展的方向和趋势。
关键词:损伤识别,结构振动,模态分析中图分类号:O327;V214;TU311.30 引 言
随着现代科学技术的迅速发展,航空航天器的大型化、复杂化以及大型海洋平台、高耸建筑、大跨度桥梁等新型复杂结构的出现,对于它们的损伤预报就显得非常重要。更为重要的是,有些结构的重要部件一旦发生损伤,它的破坏程度迅速发展,而在未及时发现的情况下,很快导致整个结构的毁坏,后果不堪设想[1]。损坏引起整个结构系统破坏的事件很多:1983
年6月28日凌晨一点钟,美国康涅狄格洲(Connecti2cut)的Mianus江高速公路大桥突然倒塌,桥上的数部
因结构的老化、疲劳和腐蚀而需要的维修费越来越高,这也要求人们及时发现损伤,以便及时维修,以节省费用[4]。特别是航空、航天、海洋、桥梁和军事装备等方面出现大型、复杂结构的今天,为了保证结构和人员的安全、减少经济损失、避免灾难性的悲剧,人们不得不考虑对损伤识别技术的研究。实际上,损伤识别技术在70年代,人们已开始了研究[5-9]。
损伤识别技术可分为局部损伤识别(LocalDamageIdentification)技术和全局损伤识别(GlobalDamageI2dentification)技术。局部损伤识别技术主要用于探测结构的局部损伤。该技术又分为二类:一类是利用染
γ射线、色渗透、x射线、光干涉、超声波和电磁学监测
等技术对结构的某些局部进行定期检查。染色渗透技术是对结构的局部表面进行涂层,涂料则渗透到裂缝
γ射线探里,观察表面就可发现表面的裂纹;x射线、
γ射线照片进行损伤识损技术是利用构件的x射线、
别;超声波技术是向构件发射高频声波并测量折射情
况,从而识别出结构的损伤或复合材料的分层或其他损伤;电磁学检测技术是利用涡流和磁场的原理进行识别结构的损伤和复合材料的分层[10]。这类技术在建筑、航天和船舶等领域有着广泛的应用[11-14]。但这类技术在应用上有很多缺点:一是对一些不可见、不开敞的部件难以监测;二是对于一些大型结构特别是比较复杂的大型结构检测其损伤是不可能的;三是这类技术要求监测人员必须到现场才能检测[9]。可见这类技术仅适用于小型结构的检测。对于一些不可见、不开敞的部位,该类技术不仅无法实施,甚至要求结构的一些功能停止使用或停止工作。例如,要求以民用客机停飞、发电机组停止运转的情况下进行测试,这是非常不经济的,甚至无法做到。于是出现另外一种局部损伤识别技术,这种技术把传感器(如光纤传感器)固定在一些重要部件中,从而对这些部件
车辆随即堕入江中,造成三人死亡和三人受伤,幸好事故发生的时间是凌晨,如在白天发生时,引起的后果难以想象。造成大桥倒塌的主要原因是桥的腐蚀和交通循环载荷引起的疲劳。然而,仅在九个月前,该州交通部门对该桥还进行了安全检查[2];1994年韩国汉城市中心的一座桥梁也因内部损伤突然倒塌;再比如1988年4月28日,美国一家航空公司的一架波音737客机,在夏威夷(Hawaii)二万四千英尺高空,外壳突然断裂,造成六十九人受伤和一名乘务员被甩出飞机。事故是由壳体的裂纹引起的。而在事故发生前的六个月,该航空部门按照有关航空技术文件和波音公司的技术要求还对该机进行了全面检查和部分维修[3];另外,地震也引起结构的损伤。比如:1995年1月17日和1995年5月28日,在日本和俄罗斯先后
发生大地震。1999年,土耳其和我国的台湾省先后发生了强烈大地震。这些地震造成人员重大伤亡,使一些结构变成废墟,一些结构发生不同程度的损伤。以上仅是损伤引起结构毁坏和地震使结构早期损伤的例子。一方面这些灾难不仅造成巨大的经济损失,而且还夺去许许多多人的生命,从而各种工程结构的安全引起人们对损伤识别技术的重视。另一方面,每年
Ξ收稿日期:2001-11-06 修改稿收到日期:2001-12-13
第一作者 郑栋梁 男,高级实验师,1945年生
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进行远距离检测。该技术在公路、桥梁和建筑上有很多应用[10-14]。其优点是可以直接确定构件的裂纹及其位置[15-17]。因此,这种技术在许多方面得到应用[18-26]。可见局部损伤识别技术可以确定损伤的存在及其位置。把这一技术应用到整个结构上,可以确定损伤情况,对于压力容器、机翼和油箱等小型有规则的结构,局部损伤识别技术是很好的识别方法,但对于大型、复杂的结构,这种技术用来检测结构的每一部分是不可能的。因此,局部损伤识别技术仅用于检测结构的特别部件[5]。
为了解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题,于是出现了许多全局识别方法。众所周知,任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统,结构一旦出现损伤,结构参数也随之发生改变,从而导致系统的频响函数和模态参数(频率和振型等)的改变,所以,结构的模态参数的改变可视为结构早期损伤发生的标志。利用损伤发生前后结构动态特性的变化来诊断结构早期损伤的方法,从理论上来讲,其优点是可将振动的外界因素作为激励源,损伤检测的过程不影响结构的正常使用,能方便地完成结构早期损伤的检测和识别。因此,本文讨论结构早期损伤识别技术的着眼点是全局损伤识别技术。对于大型结构(如上述航天器、桥梁、高耸建筑和大型发电机组等)损伤随时都有可能发生,而且有些结构(如上述波音737飞机事故)损伤扩展很快,故要求损伤识别技术能及时发现并做出预报,这正是全局损伤识别技术的目的。
损伤识别技术一般是指全局损伤识别技术(以下称为损伤识别技术),损伤识别技术有很多种分类方法,可按基于损伤检测所用的信息进行分类,也可按用不用有限元模型(FEM)进行分类,也可按损伤检测的功能进行分类,也可按用不用先验知识进行分类,也可按损伤识别技术的使用范围进行分类等等[1,4,5]。由于结构早期损伤识别技术是一门新兴的多门学科前沿知识交叉的学科,目前正处于蓬勃发展之中,因此,还很难非常确切地、科学地进行分类,也无法评述哪种分类方法最好。
损伤识别有很多方法[27-29,35-44]。文献[30,31]对这
种技术给出了很好的总结。这类方法的共同特点是:认为结构发生损伤时,仅结构的刚度降低,而忽略结构质量的变化,并在结构早期损伤之前建立一个修正的理论模型,从理论上讲,发生破损以后的任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数,而与破损大小无关。其损伤识别的步骤为:第一,根据理论模型,先假设结构可能有一组损伤位置的方案,并计算每个理论方案所对应的任意二个频率改变量之比;第二,计算实验测量的任意二个频率改变量之比;第三,将上述理论比值与实验比值进行比较,找出与实测最为接近的理论值,则该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态。于是获得了结构的损伤位置[27-29]。利用固有频率的变化进行损伤识别的优点是:测试时,固有频率容易获得且测试的精度比较高。但是,很多实践表明该类技术在应用上有一些不足:(1)固有频率对结构早期损伤有时并不十分敏感,往往只能发现破损,而无法确定破损的位置[31-34]。这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化[30,47];(2)虽然当损伤的位置在结构的高应力区域时,利用固有频率的变化进行损伤识别比较可靠[40,45,46],但是当损伤位置在结构的低应力区域时,利用固有频率的变化将无法进行损伤识别[31];(3)随着结构早期损伤量的减少,固有频率的变化是从低阶移向高阶,而高阶固有频率的变化是很难获得的。所以,利用固有频率的变化无法识别结构的小损伤。
1.2基于振型变化的损伤识别技术
虽然振型的测试精度低于固有频率,但振型包含更多的损伤信息。利用振型变化识别结构早期损伤的方法很多[48-70]。常用的方法有:
(1)模态置信度判据法 模态置信度判据法是利用模态置信判据进行损伤识别(如MAC、CO2MAC)[48-52]。其原理是:当损伤未发生时,模态置信度判据为一。可一旦破坏发生,由于振型的变化,模态置信度判据不等于一。
(2)模态正交法 顾名思义,模态正交法是利用模态的正交条件进行损伤识别。当结构无损伤时,模态满足正交条件。当结构发生损伤时,则模态不满足正交条件。当然,该方法要用到模型矩阵(如刚度矩阵、质量矩阵),这就涉及到测量模态的插值扩阶或模型减缩问题[1]。
(3)振型曲率法 如果结构出现破损,则破损处的刚度会降低,而曲率便会增大。振型曲率的变化随着曲率的增大而增大。因此,可以根据振型曲率的变化确定损伤发生的位置。这种方法以振型曲率作为定位参数。该方法的不足之处是需要非常邻近的测
1 结构早期损伤识别的现状
从70年代初到现在,人们为了寻找解决大型结构早期损伤识别问题,进行了许许多多的研究工作,出现了很多种方法。下面按基于损伤识别所用的信息进行分类,并分别叙述这些方法的特点。1.1基于固有频率变化的损伤识别技术
固有频率是模态参数中最容易获得的一个参数,而且识别精度高。可以讲,基于固有频率的变化进行
第2期 郑栋梁等:结构早期损伤识别技术的现状和发展趋势 3
点,以便利用中心差分法求取曲率模态。这样就要求足够密的测点,或者要求精度非常好的插值扩阶模态,否则将增大曲率模态振型的误差[69]。
(4)振型变化图形法 该方法是以振型相对变化量作为定位参数,即损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值。当发生破损时,受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会出现比较大的值。所以,利用振型相对变化图可以识别损伤的位置[70]。
实际上,上述基于振型变化的损伤识别技术在应用中面临着测量振型不完整(不仅测量的振型个数少于分析模型的个数,而且测量的自由度个数也少于分析模型的自由度数)和噪声的影响问题,当缺少破损影响较大的测量模态时,该类技术将不能识别结构的损伤。
1.3基于柔度变化的损伤识别技术
许多研究者(如PandeyAK,BiswasM等)在利用柔度变化进行损伤识别方面做了有益的研究[71-79]。主要原理是,在模态满足归一化的条件下,柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数。随着频率的增大,柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计。这样只要测量前几个低阶模态参数和频率就可获得精度较好的矩阵。根据获得损伤前后的二个柔度矩阵的差值矩阵,求出差值矩阵中各列中的最大元素,通过检查每列中的最大元素就可找出损伤的位置。1.4基于刚度变化的损伤识别技术
当一个结构发生损伤时,刚度矩阵一般提供的信息比质量矩阵多。利用刚度矩阵的变化进行损伤识别有很多人在研究[79-82],因为结构发生较大的损伤时,其刚度将发生显著的变化。但是,结构发生微小的损伤(比如小于百分之五)时,这类方法将无法进行损伤识别。
1.5基于能量变化的损伤识别技术
在利用能量变化识别损伤技术中,由于表达能量所用的参数不同,这就产生了多种方法[83-91]。有些方法利用模态参数表达能量[84,85],有些方法不仅用到模态参数同时还引入了有限元模型信息[86-91]。
文献[84-85]介绍了能量传递比(ETR)法,把ETR作为损伤识别的定位参数。因为有些结构如桥梁,用传统的模态参数作为定位参数不能有效地进行损伤识别[92]。从文献[84]可以得出ETR法有很多优点:(1)在损伤区域或靠近损伤区域时,ETR的值比较大,而远离区域时,ETR变化不大;(2)ETR对损伤的敏感程度远远超过固有频率、阻尼比对损伤的敏感程度,ETR法不仅能判断损伤的存在,而且能识别损伤的位置;(3)ETR法不需要有限元模型,可以用于在线损伤检测。但ETR法的不足之处有:一是没有考虑噪
声的影响,二是假定系统仅有少量几阶模态,在这个假定的基础上,仅测量前三阶模态,其余模态被截断。文献[86-91]描述了另一种能量法,即应变能方法。与文献[84,85]不同的是该方法同时利用模态参数和有限元信息,其基本原理是利用结构早期损伤前后应变能发生变化的差值进行损伤识别。应变能方法成功地应用于桥[85]、板[87,88]和悬臂[89]结构的损伤识别。文献[93]给出结构单元模态应变能的概念,提出了基于单元模态应变能变化率的结构早期损伤位置的识别方法。
1.6基于传递函数(频响函数)变化的损伤识别技术
Jiann-ShiunLew[94]根据传递函数的变化,提出了一种损伤识别的方法。因为由于损伤引起的传递函数的变化唯一地由损伤的类型和位置确定。虽然传递函数或频响函数的信息量大,但是损伤识别仅利用频响函数的一列数据[96]。DavidC等学者[96]利用频响函数数据和有限元模型,结合最小秩摄动理论,并假设所有产生损伤的方案情况,成功地对一桁架结构进行了损伤识别。
MaiaNMM等人[97]也提出了一种传递函数识别损伤的方法,即频响函数曲率法。其原理类似于振型曲率法,但不需测试振型,比振型曲率法识别效果好。文献[97]中的实例表明,频响函数曲率法可以很好地识别梁的损伤至少能识别杨氏模量降低25%这样的损伤量,并考虑了5%噪声的影响。不足之处是识别的位置还不够精确。
1997年,MarkJ等人[98]提出了另一种传递函数识别损伤的方法,即传动函数法(TransmittanceFunction)。TF的定义是结构上任意二点加速度的互谱与二点中
任意一点的自谱的比值。对于相同均方根幅值的随机激励,TF是频响函数矩阵列的函数,与输入(力、位移速度、加速度无关)。那么,复传动函数就描述了结构性质的变化。这样,结构的复传动函数的最大变化反映了结构的损伤情况。因此,根据TF的变化就可识别结构早期损伤。TF法的优点为:一是不需要数学模型(如有限元模型等);二是可以不需要先验的知识(如以往的数据等);三是可用于在线损伤监测。TF法的不足之处是测量点的数量和位置影响损伤识别的精度。
1.7基于统计信息的结构早期损伤识别技术
在系统分析中,损伤可以看作是系统的一种附加激励,它引起系统输出信号的改变[4]。我们测量的是结构的输出信号,根据输出信号求附加激励,必须考虑输出信号中的噪声问题,特别是结构的小损伤引起输出信号的变化可能被噪声信号所淹没。于是,出现了基于统计信息方法的损伤识别技术[99-102]。
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TrendafiloveI等人[99]提出了利用统计模式识别的
方法进行损伤识别,根据损伤概率的大小来确定损伤的发生。1999年,HermansL等人[100]在随机子空间的基础上提出利用假设检验法进行损伤识别的技术。1997年HoonShon和Law[101],1999年Vanic和Beck等人[102],根据贝叶斯估计原理,先后提出了二种不同的损伤检测的预报设想。HoonSohn[103]在2000年第17届国际模态分析会议上提出了利用统计过程控制进行连续监测损伤的方法。但是,该方法没有考虑体积力或面积力等环境激励对工作模态参数的影响。
和理论价值且应用前景广阔。目前,对该类方法的研究是一个发展趋势,但需要解决的理论问题很多,比如,如何处理工作环境激励中存在非白噪声的信号、如何处理环境激励以面力或体力为主的情况等问题。
(6)非线性损伤识别技术的研究。目前,不仅对线性损伤识别技术研究比较多,而且非线性损伤识别技术的研究也是一个发展趋势。实际工程结构是非线性结构,只是非线性的强弱不同。虽然非线性技术研究中出现的困难比线性中出现的困难多[110],但非线性识别技术符合实际,应用范围广。
(7)基于信号处理技术的损伤识别方法的研究。信号处理技术在损伤识别方法中的作用有巨大潜力(如小波变换法等),但将先进的信号处理技术应用到实际工程结构的损伤识别中,还有很多问题需要解决。
(8)基于多学科交叉的损伤识别技术的研究。由
2 结构早期损伤识别技术的发展趋势虽然除了上述损伤识别技术之外,还有灵敏度法[104-106],小波变换法[107]、神经网络法[108]和遗传算法[109]等等。但这些方法各自都有不足之处,有待于我们研究解决。总的发展趋势围绕下面四个问题,即(a)判断损伤是否存在;(b)确定损伤的位置;(c)计算损伤量的大小;(d)解决损伤对结构寿命的影响问题。具体地讲,损伤识别技术的发展趋势有以下几个方面:
(1)结构早期损伤机理的研究。可以讲,到目前为止,判断损伤是否存在、如何确定损伤的位置和计算损伤量的大小这三个问题仍然是主要问题,而且目前还无法解决损伤对结构寿命的影响问题(至少作者没有看到这方面的文献);
(2)识别小损伤的研究。对于大型结构,大损伤对系统参数有较大的影响,而小损伤对系统参数影响较小,再加上噪声的影响,上述许许多多的方法就无法识别小损伤。然而,如本文上面所述有些大型结构如航天器、大型客机大型发电机组等,小损伤在极短的时间内发展为大损伤,在人们还未察觉的情况下,整个结构已经毁坏。虽然小损伤对系统参数影响较小,但对局部参数影响较大。所以,在实用和理论上,这是一个很值得研究的课题;
(3)传感器的布置及其数量优化的研究。传感器的数量和布置与损伤识别技术的成本的精度有关,即使损伤方法的精度再高也无法改变响应数据匮乏所带来结果的粗糙性。无论在经济上还是在理论上,这是一个很有意义的课题;
(4)研究利用响应数据直接进行损伤识别。利用响应数据直接进行损伤识别的研究具有经济和实用意义。比如,如何利用响应数据识别地震后的大型桥梁、高耸建筑、核电站和大型水利工程等结构的损伤问题。
(5)在线损伤识别方法的研究。在线损伤识别方法具有实时性、连续性和预报性,有巨大的实用价值
于各类大型复杂结构都有自己的特点,包含了机械工
程、建筑工程、材料结构和振动理论等多门学科知识。因此,研究结构的损伤识别,把振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料结构等多学科技术结合起来是一个发展趋势。
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JUN2002JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVol.21No.22002
ASUMMARYREVIEWOFSTRUCTURALINITIALDAMAGEIDENTIFICATIONMETHODS
HuaHongxing2
(1.GuilinArmyCollegeofP.L.A.,Guilin 541002;
2.NationalKeyLaboratoryforVibrationShock&Noise,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai 200030)
ZhengDongliang LiZhongfu
1
1,2
Abstract Structuralinitialdamageidentificationmethodsoverthelastfewyearsaresummarizedanddiscussed.Thepa2perprovidsareviewandbasicideasofthemethodsandpointsoutsomequestionstobesolvedintheoryandpracticeapplica2tions.Theissuesforfutureresearchintheareaofstructuralinitialdamageidentificationarealsopresentedonthebasisofthecurrentliteraturesathomeandabroad.
Keywords:damageidentification,structuralvibration,modalanalysisTECHNOLOGY&ECONOMYANALYSISONTHEVARIABLE-STIFFNESSSTRUCTURAL
VIBRATIONCONTROLSYSTEMUSEDINANTI-SEISMICBULDINGS
ZhuangZhonghua
(CivilEngineeringDepartment,GuangzhouUniversity,Guangzhou 510405)
LiMinxia
(GuangzhouMunicipalConstructionCommission,Guangzhou 510030)
SunDasheng WangHengxin
(MailandTelecommunicationDesignInstituteofMinistryofMessageIndustvy)
Abstract TheElectro-hydraulicVariableStiffnessSystem(EHVSS)isproposedasastructuralvibrationcontrolsystem.Accordingtotheresponse,thevariablestiffnessaltersitson/offstateinsuchawaytoabsorbandreleasethemotionenergyofthecontrolledstructure.TheoreticalanalysisandshakingtabletestshowthattheSVSSiscapableofalleviatingefficientlythevibrationofstructuressubjectedtobothhighwindsandearthquakes.Basedontheabove,A40/50tfull-scaleEHVSSissuc2cessfullymanufactuedtobeusedinsomebuildingsandissubjectedtoperformancetest.Thefull-scaleEHVSSshavebeenusedinsomehigh-risingbiuldings.AnalysisresultsindicatethatItisabletosavegreatlycivilengineeringinvestmentusingEHVSSsinanti-seismicbuldings.
Keywords:structualvibrationcontrol,variablestiffness,technology&economyanalysis
THECOUPLEDDYNAMICSOFELASTICBEAMSUNDERTRANSLATION
JiangLizhong
(DepartmentofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha 410075)
HongJiazhen
(DepartmentofEngineeringMechanics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,200030)
Abstract Thecoupleddynamicalequationsofelasitebeamsundertranslationareestablishedinthepaper,andthedy2namicaleffectoftranslationonthedeformationofelasticbeamsisalsoanalyzed.Thereexistsnotabledifferencebetweenthecoupleddynamicsoftranslation-deformationandthatofrotation-deformation.Duetotranslationthestiffnessofelasticbeamsisdecreasedandthesystem’sdamping,isincreasedwhileduetorotationthestiffnessofelasticbeamsisincreasedandthegypeffectisintroducedintothesystem.Therefore,coupledeffectsbetweentranslationanddeformationmustbeaccountedinrigid-flexiblecoupleddynamicalmodelingofflexiblemultibodysystem.
Keywords:elasticbeam,translations,rigid-flexiblecoupleddynamics,negativestiffness,damp
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