CN101561379B

CN101561379B - 一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法

Info

Publication number: CN101561379B
Application number: CN2009100837725A
Authority: CN
Inventors: 向志海; 陆秋海; 戴晓玮; 张尧
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2029-05-13
Also published as: CN102422154A; CN102422154B; US20120059600A1; US9316620B2; WO2010130144A1; CN101561379A

Abstract

本发明属于结构无损检测领域的技术，特别涉及一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法。使用一个安装有加速度传感器的敲击装置沿着待测结构表面进行扫描，用近似公式

Description

一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法

技术领域

本发明属于结构无损检测领域的技术，特别涉及一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法。

背景技术

工程结构在制造和使用过程中由于工艺原因或使用载荷的作用，往往会产生一些局部损伤，比如裂纹、凹坑、脱粘等等，这些损伤积累到一定程度就会影响结构的正常使用。为确保结构能够正常运行，在其交付使用前或服役一段时间后都需要对之进行损伤检测。比如桥梁在通车前需要进行成桥试验以确保达到设计要求，在使用期内需要进行定期的常规检测或不定期的特殊检测，以便及时发现结构中出现的损伤；再如机翼蒙皮等航空构件，只有其内部的损伤小于规定的程度才能交付使用，而使用一段时间后，又需要对这些构件重新进行损伤检测以确保今后的飞行安全。

现有的结构无损检测技术大致可分为局部和整体两类方法：

(1)局部法通过人的肉眼观察或借助于X射线、红外线、超声波、雷达和磁涡流等仪器进行损伤探测。这类方法虽然对局部区域具有较高的损伤检测精度，但如果事先不知道损伤的大致区域，要用它们对结构的每个区域进行依次检测是非常费时的，而且有时结构还存在仪器所不能达到的死角。

(2)整体法通过在结构上布设传感器来测量结构在外加激励下的静位移、速度、加速度等响应，并以此反演出结构中的损伤。如果事先在结构中预埋传感器，还可以实现对损伤情况的实时监测，但此时只能利用结构工作时的环境激励所激发出来的结构响应进行损伤反演。相对于局部法，整体法的检测效率较高。不过如果外加激励施加不当，结构响应可能无法充分反映出损伤情况，从而影响检测精度。比如，如果静载荷较小，结构中的裂纹不能充分张开，那么静位移就对这种损伤不敏感；另外由于损伤是结构的局部特征，它对结构动态特性的影响往往只体现在较高阶频段上，因此如果外加激励不能激发出结构的高阶响应，那么损伤反演的精度就较差。此外，整体法还存在着传感器的合理布设、传感器的耐久性、环境噪声的干扰以及信号的采集和传输等问题。

对于复合材料层合板，也可以采用敲击法来检测其中的损伤。这种方法的理论基础是Cawley建立的敲击力学模型，他认为当力锤敲击到结构损伤部位时，由于局部刚度的降低使得该处的敲击力的峰值较敲击到完整部位时产生的敲击力峰值要小。计算敲击力频谱曲线和频率坐标轴所围的面积，可以得到一个特征参数R，通过比较完好和损伤部位的R值就可以识别出损伤。敲击法也是一种局部检测法，它不需要把传感器固定在结构上，而且由于能够采集到结构局部刚度的变化，所以对损伤比较敏感。不过这种方法使用了整个频段的敲击力频谱信息，这就在一定程度上降低了损伤识别的精度，这是因为：(1)损伤往往体现在敲击力的较高阶频段上，使用整个频段信息会掩盖对损伤敏感频段的信息；(2)整个频段的信息中包含了环境噪声的成分。另外敲击力谱线所覆盖的频率范围是由结构刚度以及锤头的刚度决定的。为了获得高阶频段谱线，虽然可以通过使用硬度较高的锤头实现，但这并不能精确地控制频谱的范围。即便能够激发出高阶频谱，这些高频成分在整个频段上所占的比例往往较小，这也会影响损伤检测精度。最后，该方法要求事先知道完整结构的特征参数，这也对其使用带来了不便。

在桥梁损伤检测领域，Yang等人提出了一种利用行驶的车辆作为激励，通过车辆的加速度信号来提取桥梁基频的方法。这种方法的优点是不需要在桥梁上安装传感器，而且测量过程不会影响桥梁的正常运行。但是该方法没有在车辆上安装敲击装置，因此很难激发出桥梁的高频响应，而仅根据桥梁的基频是很难检测出结构的损伤的。

发明内容

本发明提出了一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用一个安装有加速度传感器的敲击装置沿着待测结构表面进行匀速扫描，用近似公式

a (x) \approx - \frac{b (x)}{M} Z (x) + \frac{F (x)}{M} - g

来描述敲击装置的加速度α和结构位移响应b、结构局部阻抗Z以及敲击力F之间的关系，其中，x代表敲击的位置，M是敲击装置的质量，g是重力加速度；

(2)将敲击装置通过整个结构的过程中所记录下的加速度信号等分为n段，每一段所代表的结构长度相等，对第i段(i＝1，2，...n)的加速度信号进行变换处理得到其频谱图；

(3)从该频谱图上截取和事先设定的敲击力所覆盖的频段相对应的频谱包络线，并用向量Y_i进行记录；将所有包络线向量两两进行如下运算得到MAC系数矩阵：

MAC (i, j) = \frac{Y_{i} \cdot Y_{j}}{| Y_{i} | \times | Y_{j} |},

(i，j＝1，2，...n)，其中，·表示向量的内积运算，|Y_i|表示向量Y_i的长度；

(4)包络线i和包络线j的形状越相似，MAC(i，j)的值就越接近1；否则MAC(i，j)的值就越接近0，而每一行或每一列元素的相对大小就能反映出结构的损伤情况；取MAC系数矩阵某一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该曲线是光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。

本发明的优点为：

(1)敲击力的大小和频段可以人为设定，这样既有利于激发出损伤信息，又可以避开环境噪声的干扰；

(2)综合考虑了结构局部位移、阻抗和敲击力的变化，并通过比较加速度信号频谱图包络线的方法进行损伤检测，提高了检测的精度；

(3)不需要事先知道无损结构的特征信息，更便于实施；适用于航空航天、土木和机械等任何可能发生结构材料的各种形式损伤的领域。

附图说明

图1是根据本发明的方法实现的一种用于检测层合板损伤的试验装置的俯视示意图；

图2是图1所示试验装置的A向正视示意图；

图3是MAC矩阵元素的分布图。

图中标号：

1-小车；2-加速度计；3-激振器；4-钢棒；5-层合板；6-裂缝；7-细钢丝；8-调速电机；9-电荷放大器；10-功率放大器；11-电脑。

具体实施方式

本发明提供了一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法，下面通过附图来进一步说明一种具体的实施方式。

本发明用近似公式

a (x) \approx - \frac{b (x)}{M} Z (x) + \frac{F (x)}{M} - g

来描述敲击装置的加速度α和结构位移响应b、结构局部阻抗Z以及敲击力F之间的关系，其中，x代表敲击的位置，M是敲击装置的质量，g是重力加速度。

实施本发明所述的方法时，以检测一块层合板内的损伤为例，待测层合板5被平放在固定在地面上的两根钢棒4上，离地间隙应保证敲击装置移动至板中间位置时板不接触地面。敲击装置使用如图1和图2所示的带有加速度计2和激振器3的钢制小车1，激振器3为JZK-2激振器。激振信号由安装了A/D、D/A转换卡(ACL-8112-PG)、DASYLab软件和Matlab软件的电脑11控制，电脑11进行数据处理并作为显示终端；通过D/A转换经功率放大器10放大后传递给激振器3。采集到的加速度信号通过电荷放大器9和A/D转换装置传递给电脑11。最后在电脑上进行傅立叶变换得到加速度信号的功率谱，求出MAC矩阵，并输出损伤检测结果。

检测时首先通过DASYLab软件产生由16个90～240Hz之间均匀分布的等幅正弦信号合成的控制信号，通过ACL-8112-PG转换卡的D/A端口，并经YE5871功率放大器10放大，最后传送到激振器3上以产生90～240Hz频段的敲击力。同时小车1由固定在地面的41k25RGN-C调速电机8带动细钢丝7拖动，以V＝1.3cm/s的速度均匀地沿层合板5的长度方向进行扫描。小车1的加速度信号通过在激振器3上安装的YD-36压电式加速度计2采集，经过YE5852T电荷放大器9放大后，通过ACL-8112-PG转换卡的A/D端口输入到电脑11中，采样率为1024次/s，并由DASYLab软件记录。

损伤识别时，首先将DASYLab软件记录下的加速度信号按1024个数据长度为单位分为若干段，每段相当于1秒钟所采集的数据量。然后使用Matlab软件，将每段数据进行傅里叶变换得到其功率谱，并截取90～240Hz频段的功率谱包络线，存入一个长度为16的向量中。最后按公式

MAC (i, j) = \frac{Y_{i} \cdot Y_{j}}{| Y_{i} | \times | Y_{j} |},

(i，j＝1，2，...n)，两两比较所有的功率谱包络线向量以得到MAC系数矩阵，最终可画出MAC系数矩阵分布图。其中，式

MAC (i, j) = \frac{Y_{i} \cdot Y_{j}}{| Y_{i} | \times | Y_{j} |},

(i，j＝1，2，...n)中，·表示向量的内积运算；|Y_i|表示向量Y_i的长度。包络线i和包络线j的形状越相似，MAC(i，j)的值就越接近1；否则MAC(i，j)的值就越接近0；MAC系数矩阵主对角线上的元素一定等于1，而每一行或每一列元素的相对大小就能反映出结构的损伤情况。比如，取MAC系数矩阵第一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该曲线应该是比较光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤也就越严重。

在验证实验中，事先在一块140×15×3cm宽的层合密度板中部一侧人为制造一条约2cm长的裂缝6。在小车敲击扫描木板的同时，用木棒不断地敲打木板以人为地制造干扰信号。最终得到的MAC系数矩阵分布情况如图3所示。可见裂缝位置的MAC系数明显低于其它位置的MAC系数，由此可以说明本发明方法能够有效地检测出结构的损伤，并且具有很好的抗干扰性能。

Claims

1.一种用于结构损伤检测的敲击扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

来描述敲击装置的加速度a和结构位移响应b、结构局部阻抗Z以及敲击力F之间的关系，其中，x代表敲击的位置，M是敲击装置的质量，g是重力加速度；

(2)将敲击装置通过整个结构的过程中所记录下的加速度信号等分为n段，每一段所代表的结构长度相等，对第i段的加速度信号进行变换处理得到其频谱图，其中i＝1，2，...n；

其中，·表示向量的内积运算，|Y_i|表示向量Y_i的长度，i，j＝1，2，...n；

(4)包络线i和包络线j的形状越相似，MAC(i，j)的值就越接近1；否则MAC(i，j)的值就越接近0，而每一行或每一列元素的相对大小就能反映出结构的损伤情况；取MAC系数矩阵某一行元素的值为纵轴元素，并以所对应的结构位置为横轴画一条曲线，如果结构没有损伤，那么该曲线是光滑的；如果曲线在某处突然下降，就说明该处存在损伤，下降的幅度越大，损伤就越严重。