（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于结构动力特性的损伤检测方法研究.pdf

中文摘要 大型结构物在服役年限内将受到各种荷载的相互影响而产生损伤，特别是当 损伤发生在结构的重要部件上时，破坏范围将迅速扩展，导致整个结构的失效。 如果这些损伤不能及时被发现将有可能造成灾难性的后果。为了保证结构的安全 运营，找出一种高效、实用的结构损伤识别方法是很有必要的。 结构的损伤使得某些部位的刚度或质量发生变化，进而引起其力学特性的变 化。损伤识别就是根据结构的力学特性的变化来判断结构物理损伤的理论与方 法。基于结构动力特性的损伤检测方法，由于具备反映结构整体性质的特点，展 示了传统的损伤检测方法所不具备的全局损伤检测能力，已成为国内外研究人员 关注的热点。 本文模拟了自升式海洋平台与大型桥梁结构的几种损伤工况，首先以几种模 态分析法对结构的损伤情况进行识别，比较并归纳了这些方法的适用范围和对不 同结构破损检测的灵敏程度。由于小波变换具有表征信号局部特征的能力，很适 合探测信号中的瞬态反常成分，因此本文又将基于结构动力分析的方法和小波分 析方法相结合，用于结构损伤检测。对于复杂结构可采用分段振型的方法，为了 避免采用分段方法后因边界效应而引起的伪破坏，本文引入了模态扩展方法。对 结构的模态进行扩展处理后，可准确地检测到结构端部或转折处发生的破损。 从本文的模拟计算结果可以看出合理的选取模态类型与小波基函数，可成功 地检测到结构的多损伤情况。此外，小波变换具有消噪的功能，它在消除非平稳 信号中高频噪声的同时又能较好地保留原始信号的突变信息。 到目前为止，已有很多方法被成功地应用到结构损伤检测中，但它们都有各 自的局限性，且灵敏度和计算成本二者常常不可兼顾。所以对于某一特定结构的 检测最好采用多种方法，以减少错误率，提高检测精度，并较完备地反映各部位 的损伤情况。 关键词：损伤检测，模态分析， 小波变换， 模态扩展， 消噪 a bs t r a c t l a r g es t r u c t u r e sm a yb ed a m a g e dd u et ov a r i o u sl o a d i n ga p p l i e di nt h e i rl i v e s d a m a g e sms o m ei m p o r t a n tp a r t sm a ye v e nl e a dt oc a t a s t r o p h i cr e s u l t s t h c r e f o r e i t ，s i m p o r t a n tt of i n da ne f f i c i e n ta n de f f e c t i v ed a m a g ed e t e c t i o nm e t h o 文t oe n s u r et h e s t r u c t u r es a f e t y m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw i l l c h a n g ei nd a m a g e ds t r u c t u r e s t h et h e o r yo f d a m a g ed e t e c t i o ni sb a s e do nt h a td a m a g e so ft h es t r u c t u r ec o u l db er e n e c t e d 疗0 mi t s m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cc h a n g e s a st h ed y n a m i ca n a l y s i s m e t h o d ，w h i c hc o u l d i n d i c a t ea 玎t h en a t u r eo fas t r u c t u r e ，i sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lo n e si n0 v e m l ld e t e c t i o n i t 。sb e c o m i n gt h eh o t s p o ta m o n gb o t hd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s s e v e r a ld a m a g e so fl a r g es t r u c t u r e sa r es i m u l a t e di n t h ep a p e r f i r s t l y , t y p i c a l m o d a la n a l y s i sm e t h o d sa r ea p p l i e di na no f f s h o r ep l a t f o r ma n di n ac a b l e s t a v e d b n d g 己t h r o u g ht h e s et w oe x a m p l e s ，t h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo fe a c hm e t h o di n d a m a g ei d e n t i f i c a t i o na r ed i s c u s s e d w a v e l e tt r a n s f o r mh a sf o u n dm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n smn o n 。d a m a g ed e t e c t i o n sd u et oi t sa b i l i t yo fg i v i n gt h ed e t a i l so ft h e s i g n a l t h e r e f o r e ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi su s e di nt h i sp a p e rt od e t e c t 也e ( k l m a 譬e s a p p e a r e di nt h eo f f s h o r ep l a t f o r ma n di nt h ec o n c r e t eb r i d g e s u b s e c t i o nm e t h o d h 2 l s b e e nu s e df o rc o m p l e xs t r u c t u r e sw h e r c m a n ye n dp o i n t sa n dt u r n i n gp o i n t se x i s t 心 t h em o d a le x p a n s i o nm e t h o di si n t r o d u c e df o re a c hs u b s e c t i o n f r o mt h en u m e r i c a lr e s u l t s ，i t sp r o v e dt h a tt h em e t h o d si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r c o u l dg i v eg o o dr e s u l t si fs u i t a b l ef o r mo fm o d a la n dw a v e l e tb a s i cm n c t i o n a i eu s e d fu r t h e r m o r e ，w a v e l e tt r a n s f o r mc o u l de l i m i n a t eh i g hf r e q u e n c yn o i s e sa p p e a r e di nt h e u n s t e a d ys i g n a la n dk e e pi t so r i g i n a ls h a r pc h a n g e s u p t on o w , v a r i o u sm e t h o d sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nn o n d e s t r u c t i v ed a m a g e d e t e c t i o n ，b u tn o n eo ft h e mi su n i v e r s a l i no r d e rt og e ta l la c c u r a t er e s u l tw i t l ll o w e r c o s t , i ti ss u g g e s t e dt h a ts e v e r a lm o d e la n a l y s i sm e t h o d sb eu s e dt ol o c a t et h ed a m a g e i no n es t r u c t u r e k e y w o r d s ：d a m a g ed e t e c t i o n ，m o d e la n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r m ， m o d a le x p a n s i o n ，n o i s ee l i m i n a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：罗哓健 签字日期：2 护。多年1 月te t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 罗呼藩促 刷醛名：歹周扛 签字目期： 2 ，d 6 年j 月f 7 日 签字日期：如7 年月，夕日 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研究 1 1 选题的意义 第一章绪论 随着科技的进步、工业的发展以及人类对未来社会的广泛要求，现代结构物 设计正向着大型化、复杂化方向发展。这些大型结构如高层建筑，海洋平台，大 型桥梁，大跨度网架等在复杂的服役环境中长期受到设计载荷与外界环境的相互 影响而使其刚度退化形成损伤。值得注意的是这些结构的损伤往往不易发现，而 这些损伤可能继续引起新的损伤，当损伤积累到一定程度将导致结构的突发性失 效，对我们的生命财产造成灾难性的后果。例如，1 9 3 4 年美国t a c o m a 悬索桥， 在风荷载作用下，发生扭转振动，导致桥梁坍塌；2 0 0 1 年1 1 月7 日四川宜宾市 南门大桥在建成1 0 年后两端4 对共8 根短吊杆在与横梁联结部位突然发生断裂， 导致两端桥坍落、车毁人亡的事故；由于受到波浪等周期性荷载的作用，海上采 油平台经常出现管节点开裂而导致海洋平台失稳的事故屡见不鲜。 为了保证这些大型结构的安全运行、生产及合理的强度要求，需要对结构的 运行状态有一个全面的了解，而对结构进行定期的损伤检测和实时的在线监测是 实现这一目标的有力手段，这项工作在工程实际中有着重要的现实意义： 通过检测，及早地发现损伤，了解损伤形式、位置及程度，并及时采取补 强措施，消除隐患，保证结构安全，避免酿成人员伤亡事故和更大的经济损失。 通过损伤检测，在检测结果的基础上进行安全评估，掌握结构运行中的安 全状况，为使结构能安全运行提供重要的决策依据。 通过对结构的检测，发现结构在服役过程中的薄弱环节，进行合理的参数 设计，提高结构的设计质量。 结构的损伤问题如不能得到及时发现和补救，将有可能造成较大的人员和财 产损失。所以，结构的损伤诊断历来受到国内外工程界的重视。结构的损伤诊断 技术是当前结构工程学科十分活跃的研究领域，诊断技术有很强的工程背景，具 有重要的实用价值，并以深厚的理论为基础。它是一门适应工程实际需要而形成 的多学科交叉的综合学科。 第一章绪论 1 2 损伤检测的方法和发展 结构损伤检测这一概念的提出和发展，首先源自动态结构的故障诊断，即旋 转机械设备的故障诊断。它是在2 0 世纪6 0 年代初期，由于航天和军工行业的需 要而发展起来的，以后又逐步应用扩展到建筑、桥梁、海洋平台、水工结构、管 道和压力容器等其他各个领域【】3 】。工程结构的常见损伤主要有：结构内部缺陷， 包括材质本身的内在缺陷、设计和制造( 包括安装) 不当产生的隐患；疲劳裂纹； 松弛和蠕变；失稳：腐蚀或磨损；泄露或渗漏。一般认为工程结构发生损伤就是 与正常结构比较时，在某些方面产生了异常现象，这些现象表现在表征结构特性 的各种特征参数上。结构的特性包括动态特性和静态特性、表面状态和形状大小 等。结构损伤诊断即对结构进行检测与评估，以确定结构是否有损伤存在，进而 判别损伤的位置和程度，以及结构当前的状况、使用功能和结构损伤的变化趋势 等。在线长期监测或周期性检测那些能比较敏感反映出结构的损伤症状、征兆参 数的信息，从中提取信号，通过数据处理来发现或预报结构的故障和损伤。 在结构的损伤检测的各种方法中，观察法是最常用的一种方法。然而，对于 复杂结构这种方法是不可靠的。因为某些至关重要的损伤常常发生在人们无法接 近的区域或被表层所覆盖的部位。直接观察也不能提供对结构剩余强度的定量描 述。另外，局部裂缝和结构构件裂缝很难用肉眼观察到，但它对结构的破坏却是 不可忽视的。 随着现代科学技术的迅速发展，基于多学科交叉的各种现代损伤诊断技术也 相继出现。这些常用的结构损伤诊断方法有超声波诊断法、x 射线诊断法、涡流 诊断法、粉磁诊断法、红外诊断法等【4 】。这些诊断方法借助于先进的仪器设备检 查结构的微小损伤取得了良好的效果。由于受到尺寸限制，这些方法只适用于结 构的局部探伤，难以实施于大型结构的整体检测。 上述困难促使人们把目光投向所谓全局损伤指标的研究领域，在此条件下， 基于振动的结构损伤检测技术得到了人们的广泛关注，而近十几年来传感器技术 和模态试验技术的发展则为它的进一步应用提供了可能。在1 5 届i m a c 中，会 议的主题就是“利用振动测试进行结构诊伤”。在该次会议中，各国与会者提出 了各种丰富多彩的诊伤理论和诊伤方法，诊伤的结构也从简单的悬臂梁、简支梁 发展到板、空间框架，乃至跨海大桥、石油平台和高桩码头等大型真实结构。 目前，大型结构的损伤识别已经成为世界范围内结构工程界研究的一个热点 问题。由于损伤会改变结构动力特性( 振型、频率、阻尼比等) 及受力状态( 应变， 应力等) 的改变，近年各国学者提出了许多基于实测整体性态变量动力信号的损 伤识别方法。 天津大学硕士学位论文 基于结构动力特性的损伤检测方法研究 1 3 结构损伤诊断方法的分类 结构损伤的会引起结构物理性质的改变，这些损伤直接反映在结构物理参数 ( 如刚度、质量以及结构阻尼等) 的改变上。结构物理性质的改变又导致结构的动 力特性发生相应的变化，这些将直接反映在结构的模态参数( 如自振频率、振动 模态等) 的变化上。如果这些变化能够很好的被检测和分类的话，就可以利用来 进行结构的整体损伤检测。 动力破损评估法( d a m a g ea s s e s s m e n tb yd y n a m i cm e t h o d ) 是近几十年来国 内外研究非常活跃的全局损伤诊断方法之一。该方法是通过获取结构的动态信 号，利用信号处理和故障诊断技术，确定结构可能发生的整体性能退化或局部损 伤的大小和位置，是结构无损检测技术，该方法具有简单、快速、无损的优点， 及显著的经济效益和社会效益。动力破损评估法有很多种分类方法，可按基于损 伤检测所用信息进行分类，也可按用不用有限元模型进行分类，也可按损伤检测 的功能进行分类，也可按用不用先验知识进行分类，也可按损伤识别技术的使用 范围进行分类等等。由于结构损伤诊断技术是一门新兴的多学科前沿知识交叉的 学科，目前正处于蓬勃发展之中，因此，还很难非常确切地、科学地进行分类， 也无法评述哪种分类方法最好。 动力破损评估法根据损伤诊断所依赖的不同工具大体上分为三类：基于动力 学模型的诊断方法、基于信号分析的诊断方法和基于人工智能的诊断方法【5 】。基 于动力学模型的诊断方法从损伤结构的数学模型出发，研究损伤对响应的变化规 律。所用的动力参数主要有：频率、振型、曲率模态、应变模态、传递函数、功 率谱、模态保证准则、坐标模态保证准则、能量传递比等【6 】。有的学者是利用结 构损伤前后振动模态的改变和各阶模态对结构的灵敏度分析来实现诊断的；有的 学者是从结构的有限元模型出发，采用实验得到的数据对模型中的刚度矩阵和质 量矩阵进行相应的修改，他们认为结构损伤就发生在刚度矩阵和质量矩阵发生改 变的地方；有的学者是依据结构模态参数推导各种结构损伤诊断指标。基于信号 分析的损伤诊断方法是直接通过分析结构在动力荷载作用下的响应来得出结构 损伤的信息，不需要知道结构的数学模型。小波分析在损伤诊断中的应用是属于 信号分析范吲7 1 。以小波分析为工具，通过分析系统的时变性质来做故障诊断， 由小波变换得到的谱图直接显示故障的存在。基于人工智能的损伤诊断方法包括 基于神经网络的损伤诊断方法、基于专家系统的损伤诊断方法和基于模糊规则的 损伤诊断方法。基于人工智能的结构健康监测与诊断系统有可能把目前广泛使用 的离线、静态、被动的检查转变为在线、动态、实时健康监测与控制，使结构安 全监控和性能改善将产生质的飞跃。 第一章绪论 1 3 1 现有的模态识别法 基于振动的损伤检测最早可以追述到上世纪7 0 年代到8 0 年代，v a n d i v e r t 8 j 等 人针对海洋平台的损伤进行了大量的研究。但由于海洋环境的特殊性，以及相关 理论的匾乏，研究工作遇到了很大的困难，特别是如何将理论研究用于实践还有 相当多的问题需要解决。但这毕竟为该领域的研究指明了一条道路，更多的研究 者投入这一领域，并把研究重点集中到固有频率、模态阻尼和模态振型上。 这其中，基于频率测量的损伤探测具有很强的吸引力。这是因为在实际结构 中，频率易测且与测量位置无关是典型的全局变量，而且测量的误差也较振型和 阻尼测量的误差小。由此该方法得到了广泛的关注，产生了大量的研究成果。文 献【9 】对这种技术给出了很好的总结。这类方法的基本原理是：结构固有频率是结 构物理特性( 质量、阻尼和刚度) 的函数，因而当结构发生损伤使其物理特性产生 改变时会引起结构固有频率的改变，据此可以进行有关损伤的一系列检测。当用 于损伤定位时，认为结构发生损伤，仅结构的刚度降低，而忽略结构质量的变化， 并在结构早期损伤之前建立一个修正的理论模型，从理论上讲，发生破损以后的 任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数而与破损大小无关，在一定条件下 可以进行损伤的定位。其损伤识别的步骤为： 根据理论模型先假设结构可能有一组损伤位置的方案，并计算每个理论方 案所对应的任意二个频率改变量之比： 计算实验测量的任意二个频率改变量之比； 将上述理论比值与实验比值进行比较，找出与实测最为接近的理论，则该 值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态。 利用固有频率的变化进行损伤识别的优点正如前文所述，但是，在实践中也 有一些无法回避的缺点。这主要是：固有频率对结构早期损伤并不十分敏感。随 着结构早期损伤量的减少，固有频率的变化是从低阶移向高阶，而高阶固有频率 的变化是很难获得的。所以，利用固有频率的变化无法识别结构的小损伤。频率 测量还不足以对损伤探测提供足够的信息。众所周知，不同形式的结构损伤可能 产生相似的频率变化特征。在对称结构中，在两个对称位置上的结构损伤将产生 同一种频率变化。因此很多情况很难直接根据频率变化进行损伤定位。作为结构 动力学反问题，以频率进行损伤探测的实质困难在于：由于瑞利商是能量的比值， 而能量是一个积分量，结构的局部改变湮没在能量积分中，因而瑞利商( 频率) 对 刚度、质量的局部变化很不敏感，因此试图直接通过频率变化来判断结构的局部 刚度、质量改变是并不一定总能成功的。 由于上述困难，人们把注意力转向结构的模态振型。虽然振型的测量精度低 4 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研究 于固有频率，但振型包含更多的损伤信息，因此可以更加充分的进行损伤识别， 特别是损伤的定位。利用振型变化识别结构早期损伤的方法很多。一种方法是利 用振型相关性来进行判别。y u e n ( 1 9 8 5 ) 1 0 】用数值方法对一悬臂梁进行了研究。 该悬臂梁由1 5 个梁单元模拟，通过降低某个梁单元上的弹性模量来模拟悬臂梁 的损伤工况，以此研究了损伤位置、损伤程度和特征参数之间的关系。同时轮流 对每一个单元轮流进行损伤模拟，计算相应的特征参数并同未损伤时的结果进行 了比较，并定义了平移特征参数扣：， 和转动特征参数 霞， ： ：粤一掣 瓯产孕一掣( 1 - 1 ) j、i j。、i 。j7 、i j 其中伽：) ， g ，) 为损伤单元位置在第- ，单元梁的第f 阶模态归一化特征向量 的平移和转动分量；上标甜、d 分别表示结构损伤前、后的量。数值研究表明， 上述特征参数虽然具有的联系损伤位置和程度的特性，但是位移特征向量仅在固 定端至损伤处的区域内才有明显的变化。 w e s t ( 1 9 8 6 ) 、w o l 行和r i c h a r d s o n ( 1 9 8 9 ) 提议用m a c 来检测结构缺陷的 存在及其位置【。1 2 1 。m a c ( m o d e la s s u r a n c ec r i t e r i a ) 定义如下( a l l e m a n g 和 b r o w n ，1 9 8 2 ) ： m a c ( f ，轳丽甓 ( 1 - 2 ) 本文中 矽 ，是结构第f 阶模态向量， 矽 。是结构第k 阶模态向量。m a c 是一 个无量纲的量，范围从o n l ，代表了两组模态向量之间的关联程度：1 指完全相 同，而0 指完全不相关。由此可见m a c 值越小，发生损伤的可能性越大。 该方法简单直接，但是它基于一个直观的假设：模态向量的变化在连接或接 近损伤构件的自由度比远离损伤构件自由度相对要大。当然，这个假设并不是必 须的。 f o x ( 1 9 9 2 ) 【1 3 】用数值模拟和试验两种方法研究了由于损伤引起的梁的模态 参数( 固有频率和振型) 的变化，得知m a c 值对损伤的出现并不敏感。虽然m a c 值随着损伤的加大呈现有规律的降低，但由于实验和信号处理带来的误差常常使 得m a c 值的降低量在某些情况下比损伤引起的更为明显，且这种方法不能直接 显示损伤的位置。基于这些情况，许多改进的方法先后被提了出来。 l i e v e n 及e w i n s 1 4 1 和h u n t 1 5 1 对m a c 准则进行改进，分别提出了坐标模态 置信度指标c o m a c 法( c o o r d i n a t em o d e la s s u r a n c ec r i t e r i a ) _ ； i 协调模态置信度指 标e c o m a c 法( e n h a n c e dc o o r d i n a t em o d e la s s u r a n c ec r i t e r i a ) 。k i me ta 1 06 运 用这些方法对一铝板用有限元模型进行了数值研究，通过在适当位置上移去相应 的单元来模拟损伤。研究表明这些改进的方法对确定损伤位置或损伤所在的区域 第一章绪论 可以获得较好的效果；但当损伤较小时，结构响应变化很小，而且受到分析仪器 分辨率限制和噪声的干扰，损伤有可能识别不到，因此只有通过灵敏度分析而选 择更加敏感的损伤识别参数，这两种方法才能对结构的损伤位置给出可靠的指 示。 基于曲率反映结构中性面的变形模态( c ( x ) = m ( x ) t e i ) ，与构件的截面弯曲 刚度成反比的原理，p a n d e ye ta 1 ( 1 9 9 1 ) 【1 7 】提出如果构件发生损伤，损伤处的 局部刚度e i 会下降，并导致曲率增大，因此根据振型曲率的变化可有效地定位损 伤。作者通过对悬臂梁和简支梁进行了理论验证，梁被划分为2 0 个单元，通过 减小弹性模量来模拟损伤，以损伤和未损伤两种情况的频率和位移振型用有限元 进行了分析提出了曲率模态指标方法。国内清华大学李德葆、邓焱【1 8 2 0 】等也对此 进行了进一步的研究并利用位移值中心差分以得到结构的曲率振型，研究认为曲 率模态变化的百分比远远高于位移模态因此更有利于损伤定位。虽然振型曲率是 一个能够反映结构局部特征变化的模态参数，用振型曲率来表征受弯结构的变形 特征，物理参数明晰，对结构损伤比较敏感，但采用该损伤定位方法进行损伤定 位时，由于振型曲率由中心差分法计算获得，因此需要布置大量的传感器获得大 量的测试信息才能得到准确的振型曲率。 k i m 和s t u b b s ( 1 9 9 3 ) 2 l 】根据模型不定性的影响，对曲率模态进行了改进，通 过给出损伤前后的模态特性来确定结构的损伤位置，发展了模态应变能方法。结 构单元模态应变能的分布，与单元的刚度和单元对应的振型分量相关，如果某单 元发生损伤，那么结构损伤前后此单元的模态应变能变化应该最大。其原理是： 损伤处的局部刚度会下降，从而使损伤处的应变能明显增加。曲率模态法是模态 应变能法的特殊情况，该损伤定位方法只需知道损伤前后的少数几阶振型即可定 位损伤。k i m 和s t u b b s 2 2 】等应用该方法对美国新墨西哥州的i - 4 0 桥进行实桥试 验，得出该方法对于桥型结构的损伤识别效果较好。n w o s u 2 3 】对一t 型管节点进 行实验，得出，由于裂缝所导致应变模态的变化要比任何一阶频率的变化都要大， 而且距离裂缝较远处测量应变依然可进行损伤检测。史宇治掣2 4 】采用模态应变能 方法对一二层钢架结构分析结果表明，振型的不完整性及测试振型的随机噪声都 对结构损伤定位和损伤程度的识别有较大的影响，采用多阶模态叠加的方法，能 较好地改善结构损伤识别的精度。 在进行结构损伤识别时，由于损伤表现为刚度的下降，很自然地想到利用刚 度矩阵的变化来判断结构损伤。p a r k $ 1 ：i l e e l 2 5 】运用损伤结构与未损伤结构之间的 刚度误差来定位损伤，对于严重损伤，此方法非常有效。但是，g y s i n 2 6 】认为误 差刚度矩阵法只有在包含了足够多的振型，尤其是包含了那些对于结构刚度阵有 很大影响的振型时，此方法才有效。 6 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研究 1 9 9 4 年，p a n d e y 和b i s w a s t 27 】提出了可用柔度矩阵法来构造指标来检测的结 构损伤存在和位置。这种方法不需要结构的分析模型，所有损伤状态的估计都是 根据实测模态数据作出的，但是需要进行完全的实测模态分析。 此外，还有基于应变模态的检测方法，它比位移模态更具局部化特征，能够 探测到结构细微的局部损伤；残余向量法是利用残余力作为损伤定位指数，对应 较大残余力的区域为受损区域，并根据在结构受损区域上测试出的振动模态与受 损区域的结构参数( 刚度、质量和截面面积) 的关系，确定出受损区域的结构参数， 以此来评估结构受损程度。 1 3 2 小波方法 随着全球范围内的小波热，关于小波分析的研究数不胜数，除了相当数量关 于小波的构造、小波算法的推导、以及小波本身的数学证明方面的内容外，更多 的是小波变换在各个领域的应用。小波分析是在傅立叶( f o u r i e r ) 分析的基础上 发展起来的。作为时一频分析方法，小波分析比傅立叶分析有着许多本质性的进 步，小波分析提供了一种自适应的时域和频域同时局部化的分析方法，无论分析 低频或高频局部信号，它都能自动调节时一频窗，以适应实际分析的需要。小波 分析在局部时一频分析中具有很强的灵活性，能聚焦到信号时段和频段的任意细 节，被誉为时一频分析的显微镜。小波分析的快速算法为分析和解决实际问题带 来极大的方便。它的这些特点使得时一频分析方法的应用得到了辉煌的发展。现 在，小波分析方法已广泛应用于信号处理、图象处理、模式识别、语音识别、地 震勘测、c t 成像、计算机视觉、航空航天技术、故障监控、通信与电子系统等 众多的学科和相关技术的研究中。由小波分析方法带来的高新技术成果迅速增 加，其研究正在向纵深方向发展。 由于动力测试方法的应用，不可避免地涉及到振动测试信号的采集和分析处 理问题。大型结构动力特性较一般结构更为突出，各种荷载的相互作用都会使结 构产生明显的振动，并具有非线性、不平稳的特点。传统的信号分析是建立在傅 立叶变换的基础之上的。傅立叶分析使用的是一种全局的变换，要么完全在时域， 要么完全在频域，无法表述信号的时频局域性质，而这种性质恰恰是实际应用过 程中的非平稳信号最根本和最关键的性质。为了处理非平稳信号而推出的短时傅 立叶变换( s h o r t - t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 虽然在一定程度上克服了标准傅立叶变换 不具有局部分析能力的缺陷，但它也存在着当短时窗函数确定后，窗口的形状就 确定了的缺陷，故它是一种单一分辨率的信号分析方法。若要改变分辨率，则必 须重新选择窗函数。 作为傅立叶分析思想发展的小波( w a v e l e t ) 分析方法是一种窗口大小( 即窗口 第一章绪论 面积) 固定、但窗口的形状可变、时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方 法：即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有 较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适于探测正常信号中夹带的瞬态反常 现象并展示其成分。在结构振动状态监测中，信号波形突变( 锐变) 点往往包含反 映结构状态的重要信息，因此，对信号突变点的检测具有重要意义。 传统的傅立叶变换只能处理一些平稳振动信号，对一些大型结构，由于其常 呈现典型非平稳时变特点，且成分复杂，此时用傅立叶变换就很难处理。利用小 波分析的多分辨率分析思想，可以聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，因此 非常适合大型结构振动状态的监测，同时可结合结构分析计算，达到对结构准确 分析和评估的目的。 经过研究发现小波分析具有如下特点： 基函数的灵活性。小波分析的基函数不是唯一的，只要满足所谓的“容许 条件”即可，因而有许多构造小波的方法，形成了多种小波函数。例如h a a r 小 波，样条小波等等。不同小波具有不同的特性，可分别用来逼近不同特征的信号， 以便得到最佳效果。与它形成明显对比的是，常用的傅立叶变换只用三角函数去 逼近信号，没有选择余地。 算法的快速性。多分辨率分析大大提高了小波分析的效率，人们易于从尺 度函数和两尺度关系推导出小波系数，甚至不需要知道小波函数的解析表达式也 可得到分析结果。尺度函数相当于低通滤波器，小波函数相当于带通滤波器。将 信号用低通和带通滤波器进行分解，显然比用频率点分解快捷。频带分析从表面 上看比频率分析粗糙，然而信号分析的目的，在许多情况下是提取信号的特征， 没有必要知道每个点的信息。同时小波分析并不排除对细节进行分析的可能性。 在需要时，可将频带细分下去，起到显微镜的作用。这一点是傅立叶变换无法比 拟的。 分析的双域性。小波分析是时频分析方法之一，能够完成时频分解。和短 时傅立叶变换相比，它又具有优越的时域窗。在不确定原理的约束下，频率较低 时，它具有较宽的时间窗，而在频率较高时，又具有较窄的时间窗，因而更适合 信号分析。 应用的广泛性。可分析平稳信号，也可分析非平稳信号；可分析周期信号， 也可分析非周期信号，大大增强了它的应用范围。 思想的深刻性。小波理论是建立在时变函数、复变函数、泛函分析、调和 分析等近代数学理论基础上的，这些近代成熟的数学理论为小波分析提供了坚实 的理论基础。小波分析的这些特点也正是它能迅速地得到广泛应用的原因。结构 损伤诊断技术从结构的症状入手进行分析研究。结构症状由采集的信号分析得 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研究 到，信号采集技术是结构损伤识别的前提。只有采集到反映结构实际状态的信号， 诊断的后续工作才有意义。而检测到的信号的分析和处理是结构损伤识别的关 键，它实际上是结构损伤识别技术中的特征因子提取技术。传感器采集的信号， 称为原始信号，虽然经过放大，由于含有噪声，一般从时域波形上很难反映问题， 因此必须利用信号分析与处理技术去除噪声并把信号转换在不同的域内进行分 析，才能得到更能敏感反映损伤状态的特征因子。滤波技术、频谱分析技术是传 统的信号处理方法，近年来出现的数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技 术等大大地丰富了信号处理技术的内容。以频谱分析的系列技术为例，如傅立叶 分析、倒谱分析、短时傅立叶分析、威格纳分布等在传统的工程应用中占有非常 重要的地位。傅立叶变换和倒谱分析对平稳信号的分析非常有效，但二者对非平 稳信号的分析能力不理想，小波分析技术为此提供了强有力的工具。故障或损伤 会导致系统的特性发生改变，结构这种变化可以由结构的动力特性响应的变化反 映出来。小波变换可以聚焦到任意细节进行时频域处理，适用于非平稳信号振动 波形特征提取，也适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，故被 誉为信号分析的显微镜，利用小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的 效果。另外，近年来发展起来的分形技术，为信号处理提供了崭新的手段，模糊 技术的应用也丰富了信号处理的内容。由于特征因子提取的重要性，信号处理中 每一种新技术在诊断中的应用，都是对诊断技术的一次重大推动。 结构的损伤诊断方法大致可以分为四个层次： 诊断结构是否存在损伤； 对结构损伤的定位； 诊断损伤的严重程度： 对结构的安全情况做出评价和结构寿命估计。 小波分析在损伤诊断中的应用研究按前三个层次不同程度展开。 z h o u 等【2 8 】用数值模拟将刚度突变结构的动力响应进行离散小波变换，从小 尺度上小波系数出现突变点识别损伤的出现，并将该方法应用于某一建筑物在地 震中的加速度反应信号的分析中，证实了其有效性。h a n im e l l e n 等【2 引用板和梁 的足尺试验证明了傅立叶变换从频率的降低可以识别出梁中的疲劳损伤，但不能 识别出板中的损伤。而小波变换可以直接从谱图识别出两者的损伤。k m u o w 3 0 j 等对有裂缝梁的有限元模型进行了推导，并将该模型的振动响应信号作离散小波 变换，高频处小波系数出现突变，因振动响应包含了振型因素，故而识别出损伤 的位置。z s u n 和李宏南等【3 1 】【3 2 】用小波包将结构在脉冲荷载作用下的振动响应 进行分解，将各频率段的能量值作为识别损伤位置的依据，并将小波方法与神经 网络方法结合起来进行损伤诊断。q u a nw a n g 等 ”l ；e f j h a a r , j 、波对带裂缝梁在静载 第一章绪论 下的变形曲线和脉冲荷载下某一瞬时梁的变形或加速度响应作小波变换，从小波 系数的突变识别裂缝位置。李洪泉等【3 4 】通过一座三层钢筋混凝土框架的振动台试 验，利用小波多分辨率分析特点，将模型地震反应信号按不同频段分解，提取各 频段的损伤信号特征，通过低尺度上小波系数发生突变来判断损伤的出现，同时 利用尺度谱来识别损伤的位置。韩小林和骆英等【3 5 】【3 6 】将小波滤波用于基桩完整 性检测，并应用于实际工程中，使基桩完整性检测的准确性和可靠性得到提高。 向阳等【”】用小波分析对混凝土超声检测和脉冲回波检测中的信号进行特征抽取， 以第三阶尺度上的模极大值作为信号的特征向量来识别混凝土结构的缺陷。 从目前己有的研究成果看来，利用小波分析进行结构损伤诊断主要在前两个 层次，即识别损伤的存在和位置，用于识别损伤程度的研究较少。大多数文献都 是直接由小波变换图来识别损伤，没有给出损伤因子作为识别的依据。很多文献 都偏重介绍故障信号的小波变换结果，而缺乏理论上的有力支持，真正实现理论 性地介绍小波分析与故障信号间的关系的文献极少。这实际上反映出小波分析方 法的活力，它正等待人们不断地认识和研究。同时也反映了对小波分析不能只进 行纯理论研究和简单的变换，要重点揭示其应用的理论基础，并加强分析其工程 意义，要和诊断实践相结合。只有这样，才能达到科学利用的目的。 利用振动测试对工程结构进行损伤诊断的技术是一门多科目、跨学科的综合 性研究课题。近年来，国内外学者在该领域做了大量的研究工作，损伤检测技术 无论在在学术上还是在实用价值研究中都取得了长足的进步，但是对于像海洋平 台，桥梁等大型结构的损伤检测还有很多的问题有待于进一步的研究和解决。这 些主要的问题有：模型的不确定性，测量数据的不完整，测量噪声，振动信号的 选取，小波基的选取等。 1 4 本文研究的主要内容 目前，大部分的损伤诊断方法都是基于结构损伤前后的特性的改变，需要将 损伤前后的振动响应进行分析得出损伤指标进行比较；且大部分损伤诊断方法对 信号的分析要么在频域要么在时域，没有充分利用信号的时频信息；并由于各个 结构的振动特性不同，不同的损伤指标对于不同类型的结构检测效果不一样；利 用高阶频率与模态进行损伤定位虽然更精确，但低阶模态更容易测量。本文针对 这些问题与不足之处，对损伤检测的方法进行了以下方面的研究： 利用a n s y s 建立大型结构的有限元模型并进行模态分析，得到结构的固 有频率和模态，选择合适的动力参数构筑的损伤指标，采用比较容易获得的前几 阶模态、频率来确定损伤的位置。 1 0 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研究 将这些损伤指标应用到自升式海洋平台与斜拉桥结构上进行验证比较，找 出了这些损伤识别方法在不同结构上的适用程度。 小波变换由于具有表征信号局部特征的能力，很适合探测信号中的反常成 分，因此可利用小波变换的奇异性来进行结构的损伤检测研究。本文采用将复杂 结构分段化的方法来模拟海上自升式平台的两种损伤工况，经合理的选取模态类 型，成功地检测到了此种复杂结构的多损伤情况。为了避免采用分段方法后因边 界效应而引起的伪破坏，本文引入了模态扩展方法。对结构的模态进行扩展处理 后，可准确地能检测到在结构端部或转折处发生的破损。 同样利用小波变换，合理的选取模态类型，对一预应力混凝土连续桥梁的 多损伤情况进行了检测验证，证明的小波变换方法的广泛实用性。 模拟了噪声影响下简支梁的损伤检测，验证了小波的消噪功能。 第二章模态分析法 第二章模态分析法 现代结构工程的发展趋势是从单纯地考虑正常使用过渡到考虑设计、施工和 维护的全过程，结构功能的实现更主要取决于它在整个服役期间的表现，所以， 不仅要继续提高设计、施工的合理性，更为现实的任务是研究结构性能的变化， 特别是开展结构损伤检测的研究。结构上旦出现了损伤，往往需要对结构所处 的状态进行判断和评估，以便对结构的损伤成因和程度有一个全面的认识，这一 个过程就是结构损伤的检测。通过结构损伤检测，可以帮助计人员做出结构物安 全与否的评价，提出对建筑结构维护加固的方案，从而避免重大事故的发生，保 护国家财产和人民生命、财产的安全。注重设计、施工、健康监测和长期维护的 设计全过程属于一种设计终身负责的理念，应受到广泛的重视。 由于大型结构具有体型大、构件多、高次超静定、频率密集等特点，采用何 种损伤识别方法可以较好地对其损伤进行识别便成为一个比较困难的问题，各国 学者对此研究的并不多。x 射线照相术、超声波探伤、声波探测等无损检测技 术可以对结构进行损伤检测和监测，但同结构的振动诊断相比都有其不足之处。 振动检测具有多种优点： 振动信号易于提取； 可以采用现场采集数据和数据分析处理分别进行的方法，且更方便地应 用于工程实际： 振动检测方法既可以作为全局检测方法又可以作为局部检测手段； 振动检测的探测器可以安装在人们不宜接近的结构部位进行远距离检测。 结构的损伤使得某些部位的刚度或质量发生变化，进而引起其力学特性的变 化。损伤识别就是根据结构的力学特性的变化来判断结构物理损伤的理论与方 法。损伤是局域现象，因此能用于结构损伤直接定位而不进行有限元反演的力学 特征向量才是好的局域量。模态可以敏感地反映结构局部的变化，包含着大量的 损伤信息且具有明确的位置坐标，故可以利用模态的变化来进行损伤识别。近年 来，损伤诊断的动力学方法研究越来越深入，其中基于模态识别的损伤检测技术 在实际工程中正得到越来越多的运用，随着系统识别的广泛应用，系统模态参数 可以用来诊断结构损伤。作为一种整体检测方法，动力试验有着传统的n d e ( n o n - d e s t r u c t i v e ) 方法无法比拟的优点。 模态可以敏感地反映结构局部的变化，包含着大量的损伤信息且具有明确的 1 2 天津大学硕士学位论文基于结构动力特性的损伤检测方法研 位置坐标，故可以利用模态的变化来进行损伤识别。存在这些优点所以众多研究 者正试图把模态分析技术发展成为一种新的无损检测技术。由于结构的低阶模态 在变形中占的分量较大且结构的低阶模态和频率易于实施测量，所以探讨以低阶 模态及频率为特征参数的结构诊断技术具有很大的实际意义与应用价值。 2 1 方法介绍 对于不同类型结构上的损伤各种检测参数的变化规律不同，损伤位置与程度 的不同对同一检测参数的影响也不相同，所以在损伤检测过程中检测标识量的选 择是一个关键问题。本章在建立大型结构有限元模型的基础上，对结构的损伤工 况进行模拟。分别采用直接振型法，曲率模态法、模态应变能法、柔度法和刚度 法对大型结构进行损伤识别研究，比较各种方法的识别效果，为大型结构损伤识 别方法的确定提出建议。 为了描述方便，本文给出一梁模型，单元划分、节点分布如图所示： 1234 _ - 1j + 1 m - 3m 一2 m 。7m 2 1 1 直接振型法 图2 1梁单元模型示意图 振动测试所获得的模态参数中，尽管振型的测试精度低于频率，但振型包含 更多的破损信