基于振动的结构损伤识别方法的近期研究进展

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1、第31卷第1期2003年1月Vol.31No.lJanuary2003华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)文京号：1000-565X(2003)01-0091.06基于振动的结构损伤识别方法的近期研究进展韩大建王文东（华南理工大学建筑学院，广东广州510640）摘要：基于振动的损伤识别方法是少有的几种全局损伤检测方法之一.文中介绍了该方法的现状及发展，对有关方法进行了总结和评述，同时指出了基于振动的损伤识别方法还需要进一步解决的问題.关键词：损伤检测；健康监测；振动特

2、性中图分类号：TU311文献标识码：A近几十年来，结构的健康监测越来越受到人们的重视.早期的研究主要集中在航空航天器方面，这主要是为了降低人的生命危险.随着大量基础设施使用时间的增长，许多土木结构进入了老化阶段•土木工程结构健康监测问题变得越来越重要.与结构造价及通过早期发现结构损伤所节约的维修费用相比，健康监测技术应用和研究所投入的费用实在是微不足道.到目前为止，桥梁的长期检査主要还是定期的人工检测⑴•但定期人工检测的局限性比较多：（1）不能及时发现间隔期内的损伤，如在美国的姥岛大桥上，一个工程师推测该桥的主要裂纹在被发现以前已经发展了3天，又如铁岭的青洋河大桥主梁翼板的断裂⑵；（2）

3、结构的一些部位入难以到达；（3）工作值大、费用高•要实现连续监测，不破坏结构的性能和整体性是最基本的要求，无损检测（NDE）技术是结构健康监测系统的根本检测方法•传统的NDE方法是可视化或者局部化的试验方法，例如声波或超声波方法、磁场方法、雷达成像、涡流及温度场等方法，所有这些方法都要求事先知道损伤的近似位置以及损伤的结构可以接近⑶.由于这些限制，上述的试验方法只能检测结构表面或附近的损收稿日期：2002-05-30癸基金項目：广东省自然科学基金资助项目（000387）作者简介：韩大建（1940-）,女，教授，博士生导师，主要从事结构工程方面的研究.伤.能够应用到复杂结构的定量的整体检测

4、方法已成为迫切的要求，这导致基于结构振动的损伤识别方法的发展.基于结构振动的损伤识别方法通常称为损伤识别（DamageIdentification）,其基本原理是结构模态参数（固有频率、模态振型等）是结构物理特性（质量、阻尼和刚度）的函数，因而物理特性的改变会引起系统动力响应的改变•这种损伤探测方法属于结构整体检测范畴，已经被广泛应用在航空.航天以及精密机械结构等方面.除了整体检测的优点外，对于石油平台、大型桥梁等大型土木工程结构，可以利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测，从而实现实时监测，这是很吸引人的•但是对于大型土木结构，该方法目前还存在一定的困难•进入实际应用还有很多研究工

5、作要做，主要体现在：（1）土木结构较多的不确定因素、复杂的工作环境以及大型性导致结构的动力特性测量精度低，损伤识别困难；（2）目前该方法对结构损伤的识别灵敏度过低，与早期发现损伤这一目标差距较大；（3）有关方法往往要求提供结构早期信息.基于振动的损伤识别方法是一种有着良好前景而又远未成熟的方法，必须进行更深入的研究.1损伤识别方法基于振动的损伤识别方法按照所利用的特征量是否使用结构模型，可分为以下两类：（1）无模型识别方法（Non-modelBasedMe-thods）.该法不使用与结构模型有关的待征鼠，从振动的时程、频谱或时频分析推导而来，通常用于机械的损伤识别.（2）有模型识别方法（

6、Model-basedMethods）.该法使用结构模型，基本是有限元模型.使用的是与结构模型有关的特征量，包括固有频率、模态振型、曲率模态、动柔度或动刚度以及FEM（有限元模型）信息等.1.1无模型识别方法无模型识别方法是通过分析比较直接从振动响应的时程或者相应的傅立叶谱或其他变换（如小波变换）得到的特征量，从而识别损伤的方法.该方法被成功地广泛应用到检测转动机械损伤的存在、位置、类型以及程度.根据振动信号检测孤立的损伤的商业软件已经出现•无模型识别方法可分为时域方法、频域方法以及时频分析方法.常用的时域方法有利用ARMA（自回归滑动平均）模型、使用扩展的卡尔曼滤波算法⑷等一系列方法.

7、对于转动轴承还有下面一些方法：时域峰值（PeakAmplitude）法，振动水平诊断法（RmsAmplitude）,峰值因素法（CrestFactorAnanlysis）,止肖度因子分析法（KurtosisAnalysis）,冲击脉冲法（ShockPulseMethod）⑸.Zubaydi等⑹对环境振动信号应用随机减量得到自由响应信号，并计算其自相关函数，认为自相关函数能进行损伤识别.频域方法常用的分析方法有傅立叶谱分析、多谱分析