基于振动的结构损伤识别方法研究*

邹志强 吴 斌

(陆军军官学院 合肥 230031)

基于振动的结构损伤识别方法研究*

邹志强 吴 斌

(陆军军官学院 合肥 230031)

基于振动的损伤识别方法在过去几十年中得到了快速发展。该技术的核心在于结构的振动特性是结构物理参数的函数,结构损伤也就意味着结构物理参数的改变,而物理参数的改变必然引起结构振动特性的改变。文中介绍了该方法的涵义和应用现状,评述了各方法的优缺点,最后指出了基于振动的损伤识别方法还需进一步解决的问题。

健康监测; 损伤检测; 振动特性

ClassNumberTU311

1 引言

随着社会的发展和科技的进步,人类对自然的开发和改造规模在不断加大,现代工程结构正在向着大型化、复杂化和智能化的方向发展。工程结构和人一样,也有其生命周期。工程结构的使用寿命往往长达几十年甚至上百年,在其服役期间,由于各种荷载和突发性因素(地震、台风、爆炸、火灾)共同作用,结构会产生一定的损伤。随着结构使用年限的增加,损伤不断累积,再加上材料不断老化,强度不断降低,结构抗力不断衰减,严重影响结构的安全性、适用性和耐久性,极端情况下还会导致结构产生局部破坏乃至整体破坏,使得结构不能再承受荷载的作用,最终报废。大型工程结构一旦出现事故将会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。经过多年的经验积累,人们意识到及时发现并正确评估结构在使用寿命期间存在的损伤,对于预防事故的发生有着极其重要的现实意义。这就要求更加合理的健康监测机制,更加准确的损伤识别方法,在结构损伤产生的前期,及时发现其损伤的部位及损伤程度,以便采用适当的措施予以修复和加固,防止损伤的积累和加剧,从而避免重大事故灾难的发生,保障人民的生命财产安全,减少经济损失。当前,在土木、机械以及航空等领域,基于振动的损伤识别技术已经成为一个受到广泛关注的研究课题[1～3]。

2 损伤识别概述

2.1 损伤识别定义

基于结构振动的损伤识别技术通常称为损伤识别,其基本原理是结构模态参数(固有频率、模态振型等)是结构物理特性(质量、阻尼和刚度)的函数,因而结构的物理特性的改变会引起结构动力响应的改变[4]。这种损伤检测方法属于结构整体检测范畴,已经被广泛应用在航空、以及大型机械结构等方面。除了整体检测的优点外,对于石油平台、大型桥梁等大型土木工程结构,可以利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测[5～6],从而实现实时监测。

2.2 损伤识别的应用领域

损伤识别技术应用到很多工程结构中,主要包括包括: 1)重要工程结构的监测。对于重要的工程结构进行定期和不定期检测,以监视结构的可靠度和损伤情况。 2)重大新建工程结构的鉴定。评价是否达到设计要求,检验设计计算的准确性。 3)旧工程结构的鉴定。诊断是否有损伤,评价其使用寿命。 4)灾后工程结构的损伤诊断。识别损伤位置和严重性,评判是否需加固和可否继续使用。 5)加固工程结构的检测。

对于大型土木结构,基于振动的损伤识别还存在一定的困难。进入实际应用还需要很多研究工作要做,主要体现在: 1)土木结构较多的不确定因素、复杂的工作环境以及大型性导致结构的动力特性测量精度低,损伤识别困难; 2)目前该方法对结构损伤的识别灵敏度过低,与早期发现损伤这一目标还有一定的差距; 3)有关方法往往要求提供结构早期信息,增加了识别损伤的难度。

2.3 损伤识别的步骤

通常工程结构的损伤确定和质量评估分四个递进层次[7](如图1): 1)预测结构是否存在损伤; 2)在第一层次的基础上确定损伤的位置; 3)在第二层次的基础上对损伤程度进行判别; 4)在第三层次的基础上预测结构的安全寿命。迄今为止,对于不使用结构模型的基于振动的损伤识别方法,主要能进行第1)层次和第2)层次的损伤识别。当损伤识别方法与结构模型结合,在某些情况下可以达到第3)层次的损伤识别。而第4)层次的损伤识别与预测通常要与断裂力学、疲劳寿命分析、结构设计评估相结合才可能实现。

图1 损伤评价的层次划分

3 损伤识别方法

结构损伤识别的基本问题是如何从给定的结构动力特性测量中确定损伤的出现、位置和程度。进行结构损伤识别,首先要解决损伤标识量的选择问题。用于损伤识别的物理量可以是全局量,但用于损伤定位的物理量最好是局域量,且满足两个条件:一是对局部损伤敏感;二是位置坐标的单调函数。基于振动的损伤识别起决定作用的是计算模型的建立和振动测试参数的估计[8],尤其是信息特征量的选择和精度决定了诊断的最终结果和精度。根据损伤对结构的作用,可将其分为线性损伤和非线性损伤。如果线弹性结构在遭受损伤后仍保持线弹性,则将这种损伤定义为线性损伤。结构几何或材料特性的改变会导致模态改变,但结构的响应仍然可以用线性运动方程模拟。初始线弹性结构在损伤发生后表现出非线性行为,这类损伤称为非线性损伤。现有的研究主要集中在线性损伤的识别和检测问题。这种线性方法可进一步分为基于模型的识别方法和无模型的识别方法(如图2所示)。

图2 线性损伤识别方法分类

3.1 基于模型的识别方法

基于模型识别方法是工程领域损伤检测研究最多的方法。在做法上主要有三类: 1)模式匹配法,根据已有的破损方案(试验总结或分析计算获得),比较测量结果和破损方案所显示的结果,最接近的破损方案为破损状态; 2)模型修正法,通过测量结果反向识别出刚度、质量、阻尼及荷载变化,从而判别结构损伤; 3)指纹识别法,通过比较结构破损前后的指纹变化确定损伤。

3.1.1 模式匹配法

模式匹配法通常分为四步: 1)获取结构损伤方案; 2)计算所有损伤方案的指示器的值; 3)试验获得指示器的值; 4)比较损伤前后指示器的值,最吻合一组为可能损伤。损伤方案的获取主要有两种途径:一是根据实际结构,实测其不同损伤或故障对应的频率特征,这主要是用于机械系统的故障诊断;二是通过有限元模型计算不同损伤对应的频率特征。对于土木工程结构,一般采用有限元计算的结果,主要原因是实际结构不可能实测损伤对应的频率特征,这就要求有限元模型有极高的精度。

模式匹配法的困难在于损伤方案的获取,在损伤单一的情况下,相对比较容易,尽管如此,对于损伤位置与程度不定的单一损伤的损伤方案也是很难确定的,当多处损伤同时发生时,损伤方案很难获取。对于土木工程结构,破损方案只能通过计算获得,这就引入了计算模型误差,从而导致识别精度大为降低,实际应用比较困难。

3.1.2 模型修正法

模型修正法的提出是为了建立更准确的有限元模型。结构的原模型参数和实际结构存在一定的误差,必须根据试验结果对原模型进行修正,才能进行准确的研究。如果结构发生损伤,结构的未损模型已经不适合新的测量结果,修正模型的过程中发现不准确的部分也就意味着发现了损伤。模型修正法属于数学上的反演问题,由于测量模态较少,方程数少于未知数,是不定问题,只能通过添加约束方程来求解。常用的约束条件有矩阵的对称性、稀疏性及正定性条件。求解方法有三种,分别为矩阵优化修正法、灵敏度法和特征结构配置法[9]。

直接对方程进行求解的方法称为矩阵优化修正法,具体算法有基于最小范数概念的Berman-Baruch的矩阵修正法、拉格朗日乘子法、最小范数摄动法以及基于最小秩的最小序摄动法[10]。最小范数法的缺点是对整个刚度矩阵进行修正,而损伤是局部的,这种处理会增加损伤识别难度。

灵敏度法是对目标函数进行一阶泰勒展开时要利用灵敏度矩阵,故称为灵敏度法,灵敏度矩阵由试验或理论分析得出。灵敏度方程可以写成迭代形式,用牛顿-拉普森迭代法进行求解;也可以表述为线性方程,方程通常是不适定方程,亚定可通过加权最小二乘法、约束最小二乘法,超定可通过最大秩分解法(广义逆法)、奇异值分解法以及分解法等求得[11]。灵敏度法的好处是可以识别出结构单元的损伤程度,缺点是灵敏度计算量特别大。

Lim把最优实现特征向量和测量特征向量一起使用,进行损伤定位[12]。特征结构配置法是基于使残余力矩阵最小的虚拟控制器设计,控制器可解析为参数矩阵对未破坏结构的摄动。

3.1.3 指纹识别法

第三种方法是利用指纹进行直接识别,利用结构损伤前后的自振特性建立指纹可以很直观地进行损伤识别,它的好处是方法简单,实施方便。

利用模态振型建立的指标有模态保证准则(MAC)和坐标模态保证准则(COMAC)或它们的演变形式[13]。MAC利用振型的正交特性比较两个不同振型,在模态试验中常用于检验测量模态振型的正交性。MAC及COMAC均为损伤指标,即判断结构是否发生损伤。当用来判别结构是否发生损伤时,采用COMAC比采用MAC所需的工作量要少,只需要在振动大的测点进行测量,就可对结构的状态作出判断。如果用来判断振型对损伤的敏感程度,则应当用MAC。

利用模态质量归一化的模态振型及固有频率,可以求得结构的柔度矩阵及刚度矩阵。如果测量点少于要计算的自由度,可用模态振型扩阶技术来获取额外的自由度数据,插值扩阶方法有几何插值和物理插值法两大类[14]。

利用固有频率、振型及FEM信息的方法有模态应变能(Modal Strain Energy)法及残余角法。模态应变能法中的指标有模态应变能改变率(MSECR)及模态应变能改变指标(MSEC),史治宇等[15～16]还作了一些改进,建立单元模态应变能比法和局部频率变化率法。模态应变能法中损伤单元的刚度用未损前刚度代替,是一个缺点。残余角法的优点是只需要一个准确的模态振型。

固有频率及模态振型对结构的刚度变化不灵敏(尤其对于裂缝不敏感),因此上述的指标均容易产生漏判及误判。数值模拟或试验结构都表明,曲率模态振型对损伤的灵敏度远大于固有频率和模态振型,这使曲率模态振型的应用得到极大的重视。对于梁、板类型的结构,应变/应力模态可以试验测量。对于普通结构,曲率模态振型不能通过应变直接测量,要通过数学计算获得。

计算方法可使用中心差分法和多项式拟合后再求导的方法计算[17]。但不管哪种计算方法,如果测点较少时,计算精度都不够高。常用的指标有曲率模态振型差、应变能(Strain Energy)法、直接刚度识别法。应变能指标能很好地指示损伤位置,要求结构是接近梁或者板的弯曲型结构。曲率模态和梁的关系为y″=M/EI,其中y是挠度,M为弯矩,EI表示刚度[18],只要能计算出模态力,就可以直接识别刚度。

3.2 无模型的识别方法

无模型识别方法是通过分析比较直接从振动响应的时程或者相应的傅立叶谱或其他变换(如小波变换)得到的特征量,从而识别损伤的方法[19]。该方法被成功地广泛应用到检测转动机械损伤的存在、位置、类型以及程度。根据振动信号检测孤立的损伤的商业软件已经出现。无模型识别方法可分为时域方法、频域方法以及时频分析方法。

常用的时域方法有利用ARMA(自回归滑动平均)模型、使用扩展的卡尔曼滤波算法等一系列方法[20]。频域方法常用的分析方法有傅立叶谱分析、多谱分析(信号高次矩的傅立叶变化)、倒谱分析(变换的变换,特别以傅立叶谱幅值平方的对数的傅立叶逆变换应用最广)等[21]。时频分析方法有小波分析及Wigner-Ville分布[22]。小波分析常用于研究从非稳态信号检测机器损伤[23]。一个信号在不同尺度下小波系数的幅值和信号自身局部的规律相联系,大的系数因而能被认为是异常情况的可靠指示器。对于时变系统(如往复式机械),Wigner-Ville分布是一种非常有效的手段[24],它是时间-频率两维联合函数,具有很高的分辨率、能量分布集中性和跟踪瞬时频率的特性。通过比较损伤前后系统的时频特性,可以获得有价值的信息,但是必须解决互谱项的干扰问题。

无模型识别法最大的优点就是不需要建立复杂的数学模型,从而也就减少了理论和计算的工作量,同时也避免了由建模带来的误差。但它对振动测量信号的准确性要求高,测量误差、测量噪声对识别结果将产生很大的影响。另外,无模型的识别方法一般不直接与结构本身的物理参数发生联系,因而难以实现结构损伤的定量识别。

4 损伤识别方法发展趋势

经过多年的研究,虽然在结构损伤识别领域已经发展了大量的方法,但是由于工程结构损伤分布和损伤程度具有很大的随机性、振动测试环境不可控和振动源不明确等特点,这些方法在实际工程应用中时遇到了很多困难,比如,测试数据不完备、环境激励下无法获得激振信息、结构所处的外界环境复杂多变、无法得到结构在完好状态下的基准数据、很难得到精度较高的基准有限元模型、测试噪声的干扰等困难。虽然人们已经认识到这些问题,并针对这些问题提出了一定的解决办法,但是这些方面还有待于我们在以后的研究中进一步完善。此外,以下几个方面问题的研究对于推进基于振动信息的损伤识别技术的发展具有重要意义:

1)发展更可靠灵敏的损伤判别指标,该指标不会误判及漏判,同时可以识别较小的损伤[25]。要实现这个目的,所使用的特征量必须敏感而且能准确测量。

2)现有的损伤识别方法基本上都是针对线性损伤,而实际结构本身通常是非线性的,因此非线性结构的损伤识别问题将是结构损伤识别方法应用到实际工程中的努力方向。

3)传感器优化布设方法,包括确定传感器的数目及位置。当前一些优化方法,大都依靠结构总体分析模型,再利用一些优化算法选择传感器位置,广义遗传算法是其中一种比较好的算法。

4)目前的识别方法主要依赖于未损结构的精确有限元模型或试验结果,而当前大部分结构很难准确给出这两类信息。发展不依赖早期资料的损伤识别方法是损伤检测方法走向成功的关键。要发展出适合所有结构的损伤检测方法可能有困难,找到能够针对某一类结构,减少对早期资料的依赖的方法就是很大的改善。

5)不依赖外部激励源的损伤检测研究。利用外部激励可能对结构的正常使用产生不利影响,利用环境振动对结构损伤进行识别将成为研究的热点。

6)结构体系可靠度研究。结构体系可靠度研究尚处于初步阶段,对结构的安全状况定量地描述还有一定的距离,但它是结构安全评定的必须工具。

7)在损伤识别过程中不可避免的带来误差,有效降低带入的误差将是未来损伤识别研究的一个重要方向。

5 结语

基于振动的结构操作识别技术具有强烈的工程应用背景,它已在航空、航天、电力、车辆、机械等领域取得了广泛的应用,也取得了丰富的研究成果。但是目前大多数操作识别研究还局限于简单梁结构钢、钢架结构和旋转机械等简单结构的单裂纹上,对大型复杂结构双裂纹和多裂纹的操作识别研究还有许多问题需要解决。现有操作识别方法也还有进一步研究和完善的地方,以满足操作识别的过程更加简单、快捷、结果更加精确、应用更加应该的工程实际要求。

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Vibration-basedStructuralDamageIdentificationMethods

ZOU Zhiqiang WU Bin

(Army Officer Academy of PLA, Heifei 230031)

The vibration-based structural damage identification method has been rapidly developed in the past few decades. The basic idea behind this technology is that the vibration characteristics are functions of the physical properties of the structure. Therefore, changes in the physical properties will cause detectable changes in the vibration characteristics. The meaning and application status of vibration-based structural damage identification methods are summarized. For each kind of methods, their strengths and limitations are discussed. Finally, some topics which are worth studying further on vibration-based structural damage identification methods are proposed.

health monitoring, damage detection, vibration characteristics

2013年10月11日,

:2013年11月14日

总装预先研究基金(编号:9140A27020313JB91395)资助。

邹志强,男,硕士研究生,研究方向:机械设计和故障诊断。吴斌,男,博士,副教授,研究方向:枪炮、机械制造和纳米表面工程。

TU311DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.043