CN103528775B - 一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法。该方法包括：在结构健康检测系统中，通过试验测得实际结构的频响函数值，由结构有限元分析获得无损伤结构频响函数值以及随结构刚度变化的响应灵敏度；利用损伤前后结构动态响应的变化与响应灵敏度之间的关系，确定损伤的出现、位置和程度。本发明方案利用结构动态频率响应进行损伤识别，与利用结构其他动态特性如固有频率和振型的方法相比，具有信息量大，容易获取等特点，该方法识别效果好，可以同时定位结构的损伤和识别损伤的程度。

Description

一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法

技术领域

本发明涉及结构健康检测技术领域，具体涉及一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法。

背景技术

现代空间结构正在向着大型化、复杂化方向发展，而这些大型复杂结构如高层建筑、大跨桥梁、大跨度网架结构、航天器等在服役环境中将受到各种不利因素的影响，其材料的微观成分就会随时间的推移而发生演变，其结果导致材料、强度、刚度等力学参数的降低，从而在结构上积累起裂缝、腐蚀、变形等损伤，从而使结构的安全受到威胁。为了保证结构的安全，需要建立检测结构损伤的方法从而能够快速探测损伤的出现和损伤的位置。结构损伤位置和程度的准确探测可以帮助人们对结构进行实时修复或改变结构的操作使用方法，以便降低结构损伤积累的程度。因此，如何能够事先有效地估计出这些隐藏在结构内部的损伤的位置和损伤的程度已成为当前一些实际工程领域极为重视的问题。随着传感技术、信号采集与处理和系统建模等技术的发展，基于结构振动信息的健康检测已经成为土木工程结构健康监测与损伤检测领域的关注热点。

一般的，认为结构的损伤将引起结构参数(刚度、质量和阻尼等)的变化，从而导致结构的振动响应和模态参数(频率和振型)变化。它首先探测出结构动态特性的变化，然后利用结构固有的特性如：特征方程、振型的正交性等建立结构动态特性变化与结构参数变化的关系，进而通过分析测量的结构模态参数变化能确定结构的损伤位置和损伤程度。但是，通过测量仅能得到结构的低阶模态，高阶模态信息难以准确获得，测量误差较大，影响结构健康检测效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法，使得可以利用结构振动响应信息进行损伤识别。

为了实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法，包括：

在结构健康检测系统中，对初始的结构进行有限元分析，获得结构受不同频率简谐激励时各个检测节点的响应{u}，以及响应灵敏度矩阵[S]。

对实际结构进行测试，通过布置传感器网络获取结构受不同频率简谐激励时各个测试节点的响应{u_d}，结构损伤前后响应的变化量可由下式获得，

{Δu}＝{u_d}-{u}

系统中结构损伤前后的响应变化量、响应灵敏度和损伤参数{α}之间存在如下关系：

{Δu}＝[S]{α}

对上式求广义逆就可以得到结构的损伤参数，从而获得损伤发生的位置以及程度。

上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

1)利用测量节点的简谐响应信息，不需要测试振型。

2)适用于单损伤，多种损伤工况。

3)通过损伤参数就可以同时定位损伤以及识别损伤程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的系统结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法，能够利用测量得到的结构振动响应进行损伤定位并识别损伤的程度。

以下结合附图对本发明方案进行详细介绍。

图1是本发明的系统结构示意图。

在本发明系统中，根据结构实际模型建立有限元分析模型，其控制方程为：

|-ω²[M]+[K]]{u}＝{f}

其中[M]和[K]分别为结果质量阵和刚度阵；ω为激励频率；{f}为激励幅值。求解以上方程就可以得到结构的稳态响应。

优选地，当结构中第i单元损伤时，损伤后的刚度矩阵K_d表示为：

K_d＝K-α_ik_i

结构的响应对损伤参数的灵敏度可由下式获得：

$\left\{\frac{\∂u}{\∂\mathrm{\α}}\right\}={\left[{-\mathrm{\ω}}^2\right[M]+[K\left]\right]}^{-1}\left[{\mathrm{\ω}}^2\right[\frac{\∂M}{\∂\mathrm{\α}}]-[\frac{\∂K}{\∂\mathrm{\α}}\left]\right]\left\{u\right\}$

当结构发生损伤时，振动响应与损伤前相比有所不同。第个i节点自由度在损伤前后的变化量Δu_i可由下式表示为：

${\mathrm{\Δu}}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j\frac{{\∂u}_i}{{\∂\mathrm{\α}}_j}$

其中，N为总单元数。考虑一系列的测量点和频率激励，上式可用矩阵的形式表示为，

{Δu}＝[S]{α}

其中， $\left\{\mathrm{\Δu}\right\}={({\mathrm{\Δu}}_1^1\·\·\·{\mathrm{\Δu}}_1^n|{\mathrm{\Δu}}_2^1\·\·\·{\mathrm{\Δu}}_2^n|\·\·\·|{\mathrm{\Δu}}_m^1\·\·\·{\mathrm{\Δ}}_m^n)}^T,$ {α}＝(α₁，α₂…α_N)^T，[S]为相应的灵敏度矩阵。

通过试验获得测试节点的响应以后，与有限元结果比较可得到变化量，

{Δu}＝{u_d}-{u}

最后，通过下式计算损伤参数，

{α}＝[S]⁺{Δu}

其中上标“+”表示广义逆。

上述技术方案可以看出，本发明的方法基于结构响应灵敏度，利用结构损伤前后振动响应的变化进行损伤识别，不需要测量结构的模态信息，可以准确定位损伤的位置和识别损伤程度，给结构健康检测工作带来极大的方便。

以上对本发明实施例所提供的一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于响应灵敏度的结构健康检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)在结构健康检测系统中，对初始的结构进行有限元分析，根据结构实际模型建立有限元分析模型，其控制方程为：|-ω2[M]+[K]]{u}＝{f}，其中[M]和[K]分别为结果质量阵和刚度阵；ω为激励频率、{f}为激励幅值；2)对实际结构进行测试，通过布置传感器网络获取结构受不同频率简谐激励时各个测试节点的响应；3)利用结构损伤前后的响应变化量识别损伤位置和损伤程度，

对初始的结构进行有限元分析，获得结构受不同频率简谐激励时各个检测节点的响应{u}，并计算响应灵敏度矩阵[S]，

系统中，结构损伤前后的响应变化量{Δu}、响应灵敏度[S]和损伤参数{α}之间存在如下关系：

{Δu}＝[S]{α}

对上式求广义逆就可以得到结构的损伤参数，从而获得损伤发生的位置以及程度，当结构中第i单元损伤时，损伤后的刚度矩阵Kd表示为：

Kd＝K-αiki

结构的响应对损伤参数的灵敏度可由下式获得：

当结构发生损伤时，振动响应与损伤前相比有所不同,第i个节点自由度在损伤前后的变化量Δui可由下式表示为：

结构损伤前后响应的变化量{Δu}可由下式获得，

{Δu}＝{ud}-{u}

其中{ud}为实际结构受不同频率简谐激励时各个测试节点的响应。