CN109115877A - 一种基于dic技术的曲率模态损伤识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其中，包括如下步骤：S1.对桁架结构模型施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线；S2.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态；S3.得到固有频率和振动模态后，用曲率模态做差值得到曲率模态差值指标，求出桁架结构变形前及变形后的曲率模态差，从而判断桁架结构是否发生损伤、损伤定位和判断损伤程度。

Description

一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法

技术领域

本发明涉及结构损伤识别技术领域，更具体地，涉及一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法。

背景技术

近年来，由于结构损伤没有及时被发现和处理而人员伤亡和经济损失的事故数不胜数，不及时发现和处理，带来的后果将是灾难性的。及时对结构的健康进行监测，具有重要的理论意义和重大的社会经济效益。曲率模态由于具有能表征结构局部特性信息、对损伤的敏感性而广受关注，业界对用曲率模态进行结构损伤识别进行了大量研究，虽然取得了丰硕的研究成果，但主要集中在数值分析，鲜有试验模型和工程实践，这主要是由于实测的加速度时程响应中存在诸多不确定因素。目前在结构损伤识别领域中还没有基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法。

基于传统的振动测量方法由于实测时加速度时程响应中存在诸多不确定因素，而且不能得到结构完整动态信息。在有限的测点上布置传感器只能测得低价模态，而且无法测得转动自由度上的响应，测量信息不完备。这导致了曲率模态损伤识别指标几乎没有在基于传统传感器测量方法试验和实际工程中有所应用。而且，传统的测量方法(加速度传感器，应变片，光纤光栅)多是接触式的，测量布置耗时、有时不易实现等缺陷。当用曲率模态差值损伤指标识别时，是通过对比损伤前后曲率模态差值出现突变的地方就可以判别损伤位置，但是该方法需要知道完整结构的信息，所以传统测量方法影响了获得曲率模态的准确性，导致损伤识别效果不佳，误判和漏判。相比之下基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，由于DIC测量技术能够获取结构的完整振动模态信息，用测量得到的位移响应代替加速度响应，不但能使曲率模态损伤识别方法使用于实践和工程实践中，也能大大提高曲率模态识别指标识别效果的准确性。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法。本发明使得曲率模态损伤识别方法能够用于试验和实际工程中对结构进行损伤识别，从而达到判断结构是否发生损伤、损伤定位和判断损伤程度的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其中，包括如下步骤：

S1.对桁架结构施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线；

S2.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，对其进行傅里叶变换，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态；

S3.得到桁架结构的固有频率和振动模态后，用曲率模态做差值得到曲率模态差值指标，求出桁架结构变形前及变形后的曲率模态差，从而判断桁架结构是否发生损伤、损伤定位和判断损伤程度。

进一步的，所述步骤S1中，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线包括如下步骤：

S11.对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应；

S12.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线。

进一步的，所述步骤S11中，对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应包括如下步骤：

S111.获取初始桁架结构和变形后桁架结构图像的灰度值I(x，y)，J(x，y)；

S112.对两幅图像进行相关性处理，计算两幅图像的相关性C：

式中，B为参考子区的面积，x，y为图像的像素坐标；Δx，Δy为参考子区和变形子区的位置差，I和J分别为变形前后图像像素的灰度值，使C(Δx，Δy)取得极大值的Δx，Δy就是位移响应。

进一步的，所述步骤S2中，得到的频响函数为：

其中，f(ξ,t)是激励点ξ的激励时间历程信号，u(x,t)是测量点x处的响应时间历程信号，ω_i和W_i是固有频率和模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号；

当力锤激励频率ω趋于第阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

进一步的，所述步骤S3中，曲率模态的计算公式如下：

其中，φ_k″为曲率模态，φ_k为对应第i模态振型处第k个点处的位移模态，Δl为相邻两测点间的距离；

曲率模态差是桁架结构变形前后曲率模态值的差的绝对值，表示如下：

CD＝|φ_kd″-φ_k″|

式中，φ_kd″为桁架结构变形后的曲率模态，φ_k″为桁架结构变形前的曲率模态。

通过对比变形前后曲率模态差值出现突变的地方就可以判别损伤位置，通过曲率模态差值突变的大小即可判断损伤程度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明用基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，开发图像分析技术(DIC)和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，从而获取结构模态信息。相比于传统的曲率模态损伤识别方法，本方法可以获得完整的结构振动信息和模态信息，用DIC测量技术得到的位移响应代替加速度响应，解决了曲率模态损伤识别方法不能使用于试验研究和工程实践中的问题，也大大提高曲率模态识别指标识别效果的准确性。

附图说明

图1是本发明的原理流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其中，包括如下步骤：

S1.对桁架结构施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线。具体步骤如下：

S11.对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应；具体步骤如下：

S111.获取初始桁架结构和变形后桁架结构图像的灰度值I(x，y)，J(x，y)；

S112.对两幅图像进行相关性处理，计算两幅图像的相关性C：

式中，B为参考子区的面积，x，y为图像的像素坐标；Δx，Δy为参考子区和变形子区的位置差，I和J分别为变形前后图像像素的灰度值，使C(Δx，Δy)取得极大值的Δx，Δy就是位移响应。

S12.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线。

S2.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，对其进行傅里叶变换，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态。所述步骤S2中，得到的频响函数为：

其中，f(ξ,t)是激励点ξ的激励时间历程信号，u(x,t)是测量点x处的响应时间历程信号，ω_i和W_i是固有频率和模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号；

当力锤激励频率ω趋于第阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

S3.得到桁架结构的固有频率和振动模态后，用曲率模态做差值得到曲率模态差值指标，求出桁架结构变形前及变形后的曲率模态差，从而判断桁架结构是否发生损伤、损伤定位和判断损伤程度。所述步骤S3中，曲率模态的计算公式如下：

其中，φ_k″为曲率模态，φ_k为对应第i模态振型处第k个点处的位移模态，Δl为相邻两测点间的距离；

曲率模态差是桁架结构变形前后曲率模态值的差的绝对值，表示如下：

CD＝|φ_kd″-φ_k″|

式中，φ_kd″为桁架结构变形后的曲率模态，φ_k″为桁架结构变形前的曲率模态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对桁架结构模型施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线；

S2.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，对其进行傅里叶变换，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态；

S3.得到桁架结构的固有频率和振动模态后，用曲率模态做差值得到曲率模态差值指标，求出桁架结构变形前及变形后的曲率模态差，从而判断桁架结构是否发生损伤、损伤定位和判断损伤程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S1中，对时序图像进行相关性分析处理，得到位移曲线包括如下步骤：

S11.对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应；

S12.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线。

3.根据权利要求2所述的一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S11中，对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应包括如下步骤：

S111.获取初始桁架结构和变形后桁架结构图像的灰度值I(x，y)，J(x，y)；

S112.对两幅图像进行相关性处理，计算两幅图像的相关性C：

式中，B为参考子区的面积，x，y为图像的像素坐标；Δx，Δy为参考子区和变形子区的位置差，I和J分别为变形前后图像像素的灰度值，使C(Δx，Δy)取得极大值的Δx，Δy就是位移响应。

4.根据权利要求1所述的一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，得到的频响函数为：

其中，f(ξ,t)是激励点ξ的激励时间历程信号，u(x,t)是测量点x处的响应时间历程信号，ω_i和W_i是固有频率和模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号；

当力锤激励频率ω趋于第i阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

5.根据权利要求1所述的一种基于DIC技术的曲率模态损伤识别方法，其特征在于，所述步骤S3中，曲率模态的计算公式如下：

其中，φ_k″为曲率模态，φ_k为对应第i模态振型处第k个点处的位移模态，Δl为相邻两测点间的距离；

曲率模态差是桁架结构变形前后曲率模态值的差的绝对值，表示如下：

CD＝|φ_kd″-φ_k″|

式中，φ_kd″为桁架结构变形后的曲率模态，φ_k″为桁架结构变形前的曲率模态。