基于试验模态振型的结构损伤检测参数比较

基于试验模态振型的结构损伤检测参数比较（推荐2篇）

基于试验模态振型的结构损伤检测参数比较 篇1

基于模态频率和神经网络的结构损伤检测

把结构损伤识别问题分为损伤辨识、损伤定位、损伤程度标定三个子模块,对每个子模块用模态参数构造对损伤敏感的标识量,并作为特征参数输入到神经网络中实现损伤识别.将优化的.BP网络和频率相结合成功地实现了矩形梁的损伤检测,为结构健康监测研究提出一条新的技术途径.

作 者：万小朋 王军强 赵美英 作者单位：西北工业大学,民航工程学院,陕西,西安,710072刊 名：西北工业大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY年，卷(期)：200321(2)分类号：O327关键词：振动模态 神经网络 损伤识别 结构健康监测

基于试验模态振型的结构损伤检测参数比较 篇2

作为健康监测系统和结构检测共同的核心技术,损伤识别成为近年来的研究热点。其中基于模态参数的损伤识别方法属于整体损伤检测范畴的一种,其基本原理是结构的模态参数(固有频率、模态振型等),是结构物理特性(刚度、质量和阻尼)的函数。当结构的物理特性改变时,会影响到系统的动力特性,因此通过比较损伤前后结构模态参数的变化便可对损伤进行识别。通过结构损伤前后的模态信息构造损伤特征指标的方法被称为损伤识别指标法,又称为指纹直接识别法,其突出优点是方便直观、易于实施,主要包括以下三个步骤:1)结合有限元模型建立结构在无损状态下的模态信息;2)通过现场的测试数据得到结构在损伤状态下的模态信息;3)通过结构损伤前后的模态信息构造特征指标,进而对损伤进行识别。随着结构检测技术的不断发展,研究者已经陆续提出了一系列基于模态参数的损伤指标,并通过各种实验进行了验证。

1 直接利用模态参数的损伤识别指标

1.1 基于固有频率的损伤识别指标

由于结构频率测试简便,准确度高,基于频率的损伤识别方法得到了广泛的研究。Farrar等人[1]的研究表明,低阶频率变化对损伤不敏感,只有高阶频率能够指示损伤位置。这一缺点限制了频率在损伤识别中的应用,后来学者致力于通过频率构造更合理的损伤敏感因子的研究。高芳清[2]的研究表明,频率变化平方比包含了损伤位置和损伤程度的双重信息,可以进行损伤定位;刘文峰等人[3]通过频率变化率进行了简支梁结构损伤定位的研究。

1.2 基于振型的损伤识别指标

Wolff和Richardson[4]提出了一个应用MAC来识别结构损伤存在和位置的方法。MAC利用振型的正交特性比较两个不同振型,在模态实验中常用于检验测量模态振型的正交性。在应用这种方法时,结构的振型通常分解为各子结构的振型,通过计算损伤前后各子结构的MAC来判断损伤的存在和位置。在MAC指标的基础上,Lieven和Ewins[5]利用振型信息提出了COMAC。MAC和COMAC均为第一水平的损伤指标,即判断损伤是否发生。MAC及COMAC的适用范围不同,若判断振型对损伤的敏感程度,应采用MAC;而若要判别损伤是否发生,则应采用COMAC。

Pandey等人[6]通过一个梁的数值算例发现振型曲率对于损伤更为敏感,可以作为一个有效的指标加以利用。Ko[7]又提出了一种振型曲率改变率的指标MCI(Modal Curvature Index)。

1.3 结合固有频率和振型的损伤识别指标

当结构产生损伤后,一般将导致结构刚度下降柔度增加,Pandey和Biswas[8]提出模态柔度差MF(Modal Flexibility)这一指标,是将损伤前后柔度的变化矩阵中绝对值最大的列作为损伤检测的指标。

模态柔度改变率MFI(Modal Flexibility Index)也由Ko提出,定义为损伤前后柔度变化矩阵的对角项,并将损伤前的柔度矩阵中相应对角项归一化。

从物理意义上看,柔度矩阵中的某一列表示的是在相应自由度上作用单位力时,其他自由度产生的位移。曹晖等人[9]结合曲率的概念提出了一种模态柔度曲率差(Modal Flexibility Curvature)的指标。对于梁状的结构体系,首先对损伤前后的柔度矩阵求曲率得到柔度曲率矩阵,之后再求模态柔度曲率的差值,并将各列的最大值作为识别指标,MFC通常为一维向量,表示结构损伤前后各节点所在位置柔度曲率的变化情况,在损伤单元节点处表现为最大值。

Zhang和Aktan等人[10]将均匀荷载面(Uniform Load Surface)定义为结构在均匀单位荷载作用下各节点自由度的变形向量。同模态柔度矩阵相比,ULS向量具有以下几个特点:1)由于存在累加项,因此各个测点存在的测量噪声可以通过相加的方式消除;2)高阶模态相加有互相抵消的趋势,因此ULS向量中,低阶模态的贡献相对于模态柔度更大。将损伤前的ULS向量与损伤后的ULS向量相减,便得到了差向量,表示损伤前后各节点ULS值的变化,通过最大值反映损伤的存在。

Zhang和Aktan还通过对ULS向量求曲率得到了均匀荷载面曲率指标ULSC(Uniform Load Surface Curvature)。分别求得损伤前后的ULSC向量并相减,利用差向量即可识别损伤的位置,损伤单元节点处的指标仍是以最大值表示。

2 基于模态应变能的损伤识别指标

为了利用更有效的指标对损伤进行识别,有些学者开始将模态参数和有限元模型信息相结合,从而提出了一系列基于模态应变能的损伤识别指标。

Shi等人[11]提出了一种单元模态应变能改变率指标,认为该指标可以有效的识别损伤的位置,刘晖等人[12]将损伤变量与有限元方法结合,以单元模态应变能构造了一种损伤识别指标——单元损伤变量(D)。认为由于结构产生损伤会导致刚度降低、柔度增加,故不应该计算,得到损伤后的单元模态应变能会大于损伤前的,张新亮[13]改进了损伤变量D,将表达式分子的绝对值去掉,利用符号和大小来对损伤进行判断和识别。

3 基于结构特征方程的单元刚度折减系数

Ren和Roeck[14]结合结构有限元模型(FEM)的特征方程提出了一种新的基于模态参数的损伤识别方法。该方法将单元刚度折减系数作为损伤识别指标,通过单元刚度折减系数的值表征单元的损伤程度,从而达到损伤识别的目的。

基于结构特征方程的损伤识别方法,其主要原理是将每个单元的刚度折减系数Δα作为单元损伤指标,利用损伤前后的模态参数和结构动力方程可以构造出关于单元刚度折减系数的损伤方程,求解方程得到每个单元损伤指标的值即可进行损伤定位和定量。这种方法在应用时有以下几个特点:

1)该方法损伤定位和损伤定量是同时进行的,即需要计算每个单元损伤指标的值来判断损伤的位置,同时确定损伤的程度。当单元数目较多时,计算量会很大;

2)由于约束条件{Δα}≥0的存在,利用非负最小二乘法求得的结果更接近实际情况;

3)在构造损伤方程时,不仅需要损伤前初始结构的模态参数,而且还要结合结构的特征方程,因此该方法需要较精确的有限元模型。

4 结语