CN112285205A - 一种构造周期结构梁的缺陷检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种构造周期结构梁的缺陷检测方法。本发明通过在待检测的梁结构上沿其轴线方向周期性施加集中质量球来构造一维声子晶体梁，并检测其传输曲线；通过传输曲线上是否存在缺陷态来判断梁是否有损伤；对于初次检测无缺陷态的梁结构，通过改变集中质量球的位置进一步检测其传输曲线，克服初次检测时缺陷与质量块重合的情况。对于存在缺陷态的梁结构，本发明采用缺陷态频率可进一步定位缺陷的位置。本发明采用集中质量附加的方式形成的周期结构梁不需要对梁结构本身造成损伤，是一种无损检测方法。

Description

一种构造周期结构梁的缺陷检测方法
技术领域
本发明属于损伤检测技术领域，具体涉及一种构造周期结构梁的缺陷检测方法。
背景技术
为确保结构的安全、完整，结构损伤检测越来越受到科学界和工程界的重视。几种基于振动或基于导波的损伤检测技术被提出用于早期损伤识别。一般来说，基于振动的损伤检测技术监测完好结构和受损结构之间模态数据的偏差，以估计损伤的大小或位置。固有频率和位移/应变模态振型是基于振动方法中常用的两个参数。
与传统结构不同，周期性结构如声子晶体(PCs)具有带隙现象，其频率特性(如衰减或频域分布)对晶格参数相当敏感。当PCs中存在单元-单元错配等缺陷时，在带隙中可以看到缺陷模，弹性波或声波会在缺陷附近局部出现。缺陷模的频率受pc晶格参数(如填充分数)的变化影响更大。因此，在检测结构中引入周期性并检测带隙中的缺陷模态，可以实现敏感损伤检测。
因梁式结构在钢结构和机械工业中的重要性，梁式结构损伤检测一直受到人们的关注和深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，应用缺陷模态的概念来论证梁结构裂纹检测的可行性，并进一步根据论证结果提出了一种构造周期结构梁的缺陷检测方法。本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其包括如下步骤：
1)在待检测的梁结构上沿其轴线方向周期性施加集中质量球来构造一维声子晶体梁；
2)在一维声子晶体梁的一端给予激励，采集梁两端的位移信号计算传输曲线，根据获得的传输曲线，观察传输曲线是否出现缺陷态；若未发现缺陷态则进入步骤3)，否则进入步骤4)；
3)改变待检测的梁结构上周期性集中质量球的位置、数量来改变晶格大小，且确保改变位置后的集中质量球在位置上没有与改变位置前的任一集中质量球有重合，对新构造的一维声子晶体梁在一端进行激励，采集梁两端的位移信号计算获得传输曲线；观察传输曲线是否出现缺陷态；若仍未出现缺陷态，则认为待检测的梁结构无损伤；否则认为存在缺陷并进入步骤4)；
4)将传输曲线缺陷态位置对应的频率，记为fc；在含缺陷的声子晶体梁上，用频率为fc信号进行单频激励，观察梁在缺陷态频率下的位移场或者应变场，根据缺陷态的局域化现象可知，位移或应变最大的地方即是缺陷的位置。
优选的，所述的集中质量球为钢珠，所述的钢珠质量相等，并周期性固定在待检测的梁结构上。
优选的，所述待检测的梁结构上布置的一个集中质量球的重量为一个晶格梁结构质量的0.2-0.5倍。
优选的，步骤2)或步骤3)采用的激励方式为：由信号发生器产生白噪声随机激励，经过信号放大器放大后传输给压电叠堆或者激振器；频率范围为0-20kHz。
优选的，步骤4)所述的位移场或者应变场采用多普勒激光测振仪观测。
优选的，所述的待检测的梁结构为截面尺寸相同的平直梁。
优选的，所述的步骤4)选择如下实施方式：
将传输曲线缺陷态位置对应的频率，记为fc；在含缺陷的声子晶体梁上沿轴线方向依次贴压电片，用频率为fc的信号进行单频激励，观察各压电片电压的变化，根据缺陷态的局域化现象可知电压变化最大的压电片所在位置即为裂纹所在的位置。
优选的，步骤4)所述的单频激励的位置为梁两端的任意一端。
作为本发明的典型实施方式，步骤2-4)所述的激励均可以采用激振器、压电叠堆进行，激励的位置均为梁的任一端，但步骤4)采用单频激励，激励频率为fc。本发明在激励下的位移信号均可以采用光纤光栅传感系统、压电片、激光多普勒测振仪等设备获取。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本发明方法操作简便、成本低，检测方法中所应有的附加装置结构简单或为现有产品。本发明采用集中质量附加的方式形成的周期结构梁不需要对梁结构本身造成损伤，是一种无损检测方法，克服了现有技术中的检测方法需要侵入或破坏梁结构的技术问题，本发明方法可以实现梁结构损伤的1级和2级识别，检测结构准确，可快速判断梁结构是否存在缺陷以及定位缺陷的位置。
附图说明
图1为本发明集中质量附加方式的声子晶体梁的模型。
图2为本发明计算完美声子晶体梁和含有缺陷的声子晶体梁的理论、实验传输曲线。
图3为在含缺陷的声子晶体梁上依次贴压电片的示意图及其传输曲线示意，其中(a)为贴压电片的步骤示意图；(b)为局部放大的实验传输曲线；
图4为在7.2kHz频率下所贴应变片的响应信号；
图5为缺陷态频率(7.79kHz)下所贴应变片的响应信号；
图6为本发明检测方法的流程图。
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的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和6所示，本发明检测方法的流程可采用如下步骤：
1)针对待检测的梁结构，在梁上周期性施加集中质量球来构造一维声子晶体梁；
2)在梁的一端(自由端)给予激励，通过梁两端采集的位移信号来计算传输曲线，根据获得的传输曲线(频响特性曲线)，观察周期结构梁的传输曲线是否出现缺陷态(出现缺陷态时，传输曲线在带隙之间会出现共振峰)；若未发现缺陷态则进入步骤3)，否则认为存在缺陷并进入步骤4)；
3)如果传输曲线没有出现缺陷态，则改变周期性集中质量球的位置、数量来改变晶格大小，且确保改变位置后的集中质量球在位置上没有与改变位置前的任一集中质量球有重合，重新对待测梁结构进行激励并获得传输曲线；观察周期结构梁的传输曲线是否出现缺陷态；若仍未出现缺陷态，则认为梁结构无损伤；否则认为存在缺陷并进入步骤4)；
4)将传输曲线缺陷态位置对应的频率，记为fc。在含缺陷的声子晶体梁上依次贴压电片，用频率为fc信号进行激励，观察各压电片电压的变化，根据缺陷态的局域化现象可知电压变化最大的压电片所在位置即为裂纹所在的位置。或可以利用多普勒激光测振仪等其他测量手段，观察梁在缺陷态频率下的位移场或者应变场，由缺陷态特点可知，位移或应变最大的地方即是缺陷的位置。
在本发明的一个具体实施例中，为了使集中质量球与梁结构以尽量少的接触面积接触，采用钢珠作为集中质量球，理想情况下，钢珠可以近似点接触的方式与梁结构接触，可采用粘贴的方式固定钢珠的位置。
本发明所采用的单个集中质量球(钢珠)的质量与一个晶格的梁的质量之比控制在0.2-0.5:1；在本发明的实施例中，选取的钢珠质量与一个晶格的梁质量相比为0.3:1；相邻两个钢珠之间的梁片段称为单位晶格长度；可在满足钢珠质量要求的前提下，根据梁的实际尺寸进行布置，布置的周期数量宜大于3。
在本发明的一个具体实施例中，在步骤2)或步骤3)的激励环节，采用的激励源为由信号发生器产生白噪声随机激励，经过信号放大器放大后传输给压电叠堆或者激振器。位移信号则采用光纤光栅传感系统进行采集获得；通过对输出信号与输入信号之间的比值取对数再放大20倍即可获得传输曲线；
Td(ω)＝20log10|S出(jω)/S入(jω)|
另外，通过压电片，激光多普勒测振仪等设备或手段也可以用来采集输出(响应)信号，继而得到传输曲线。
步骤3)中改变集中质量球的位置是为了排除在第一次激励时，缺陷与某一集中质量球钢珠处于同一位置导致无法发现缺陷的情况。
如图2(a)所示为本发明完美声子晶体梁的理论、实验传输曲线，如图2(b)所示为实施例中所构造的含有缺陷的声子晶体梁的理论、实验传输曲线；根据实验现象可以证明，本发明方法通过施加集中质量球，并激励获得传输曲线的方法可以进行缺陷检测。
如图3(a)所示，为得知待测梁结构传输曲线存在缺陷态时的定位方案，在含缺陷的声子晶体梁上依次贴压电片，用频率为fc信号进行单频激励，根据缺陷态的局域性，在梁上布置应变片，则可根据应变片的信号大小来判断缺陷的位置。图3(b)为局部放大的实验传输曲线，从中可以看出7.2kHz为正常带隙频率，而频率为7.79kHz时出现缺陷态，图4为实验测得在7.2kHz频率下所贴应变片的响应信号，从中可以看到，由于集中质量的布拉格散射，弯曲波衰减，图5为缺陷态频率下所贴应变片的响应信号，从中可以看出在缺陷态频率下，贴在裂纹处的应变片的电压值远大于其他位点，说明了弯曲波高度集中在裂纹周围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种构造周期结构梁的缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在待检测的梁结构上沿其轴线方向周期性施加集中质量球来构造一维声子晶体梁；
2)在一维声子晶体梁的一端给予激励，采集梁两端的位移信号计算传输曲线，根据获得的传输曲线，观察传输曲线是否出现缺陷态；若未发现缺陷态则进入步骤3)，否则进入步骤4)；
3)改变待检测的梁结构上周期性集中质量球的位置、数量来改变晶格大小，且确保改变位置后的集中质量球在位置上没有与改变位置前的任一集中质量球有重合，对新构造的一维声子晶体梁在一端进行激励，采集梁两端的位移信号计算获得传输曲线；观察传输曲线是否出现缺陷态；若仍未出现缺陷态，则认为待检测的梁结构无损伤；否则认为存在缺陷并进入步骤4)；
4)将传输曲线缺陷态位置对应的频率，记为fc；在含缺陷的声子晶体梁上，用频率为fc信号进行单频激励，观察梁在缺陷态频率下的位移场或者应变场，根据缺陷态的局域化现象可知，位移或应变最大的地方即是缺陷的位置。
2.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，所述的集中质量球为钢珠，所述的钢珠质量相等，并周期性固定在待检测的梁结构上。
3.根据权利要求1或2所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，所述待检测的梁结构上布置的一个集中质量球的重量为一个晶格的梁结构质量的0.2-0.5倍。
4.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，步骤2)或步骤3)采用的激励方式为：由信号发生器产生白噪声随机激励，经过信号放大器放大后传输给压电叠堆或者激振器；频率范围为0-20kHz。
5.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，步骤4)所述的位移场或者应变场采用多普勒激光测振仪观测。
6.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，所述的待检测的梁结构为截面尺寸相同的平直梁。
7.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，所述的步骤4)为：
将传输曲线缺陷态位置对应的频率，记为fc；在含缺陷的声子晶体梁上沿轴线方向依次贴压电片，用频率为fc的信号进行单频激励，观察各压电片电压的变化，根据缺陷态的局域化现象可知电压变化最大的压电片所在位置即为裂纹所在的位置。
8.根据权利要求1所述的应用附加周期性集中质量梁缺陷态的裂纹检测方法，其特征在于，步骤4)所述的单频激励的位置为梁两端的任意一端。
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