結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究進(jìn)展

王燕鋒 公晉芳

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是健康監(jiān)測系統(tǒng)核心技術(shù)之一。本文對目前該技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行了回顧與總結(jié)。重點(diǎn)闡述了基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法和智能損傷識(shí)別方法,對無模型損傷識(shí)別的頻域法、時(shí)域法和小波分析法等也作了一定程度的介紹。分析了各種方法的優(yōu)點(diǎn)和不足之處,同時(shí)指出了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展方向和需要解決的問題。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 損傷識(shí)別 振動(dòng)特性 模型修正

一、基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)可分為靜態(tài)識(shí)別方法和基于振動(dòng)的整體識(shí)別方法。靜態(tài)識(shí)別方法是通過靜態(tài)測量數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別,而基于振動(dòng)的識(shí)別方法則是運(yùn)用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性對損傷進(jìn)行識(shí)別。靜態(tài)識(shí)別方法識(shí)別結(jié)果較為可靠和穩(wěn)定,但試驗(yàn)時(shí)間長、現(xiàn)場工作量大,無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控;此外當(dāng)受損結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下變形幾乎未受影響時(shí),很難獲得理想的識(shí)別結(jié)果。而基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法應(yīng)用的條件限制少,效率高,但結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)易受噪聲的影響,準(zhǔn)確性有待于提高。

結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別可分為四個(gè)水平:(l)判斷結(jié)構(gòu)是否損傷。(2)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置。(3)定量結(jié)構(gòu)損傷的程度。(4)預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余壽命。

1.基于損傷指標(biāo)直接比較的損傷識(shí)別方法

結(jié)構(gòu)損傷引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化,只要能找到某些反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的量,即損傷指標(biāo),直接對比其在損傷前后的變化情況即可達(dá)到識(shí)別損傷的目的。目前,已經(jīng)提出了頻率、振型、曲率模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、模態(tài)應(yīng)變能等各種損傷指標(biāo)。

最常用的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的頻率。頻率屬于系統(tǒng)全局量,局部損傷也可以反映到頻率的改變上,但是使用頻率作為損傷指標(biāo)也有其局限性。第一,結(jié)構(gòu)不同部位的損傷可能造成相近的頻率變化,使其不能反映空間結(jié)構(gòu)變化信息。第二,結(jié)構(gòu)頻率的變化對于結(jié)構(gòu)損傷,尤其是早期的低水平損傷很不敏感。相對頻率而言,模態(tài)振型的變化對損傷較為敏感,早期的大多數(shù)方法是基于直接比較模態(tài)振型。相對于位移模態(tài),應(yīng)變模態(tài)對結(jié)構(gòu)損傷較為敏感。由位移到應(yīng)變是微分過程,位移的微小改變將被放大,從而導(dǎo)致應(yīng)變參數(shù)的顯著變化。再者,應(yīng)變在實(shí)際工程中容易測得。目前,利用應(yīng)變模態(tài)進(jìn)行損傷識(shí)別還停留在實(shí)驗(yàn)研究階段,很少見應(yīng)用于工程實(shí)際。還有幾個(gè)問題急需解決:(1)結(jié)構(gòu)損傷是局部的,在損傷部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。只有將應(yīng)變片貼于損傷區(qū)域附近,才能有效捕捉到,這一點(diǎn)很難執(zhí)行。(2)應(yīng)變測量系統(tǒng)受環(huán)境影響較大,同時(shí)易產(chǎn)生蠕變、老化,這將影響應(yīng)變片在構(gòu)件上長期檢測的可靠性。

2.基于模型修正的損傷識(shí)別方法

模型修正方法的提出是為了建立更準(zhǔn)確的有限元模型,結(jié)構(gòu)的有限元模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在誤差,必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果對有限元模型進(jìn)行修正?；谀Ｐ托拚膿p傷識(shí)別方法的原理是通過測量結(jié)果反向識(shí)別結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、阻尼及荷載變化,從而識(shí)別損傷,其本質(zhì)是一個(gè)約束優(yōu)化問題。模型修正方法有最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度法和特征結(jié)構(gòu)配置法和混合法等。

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度法和特征結(jié)構(gòu)配置法都在某些方面存在不足,因此,一些學(xué)者嘗試將這些方法結(jié)合起來或?qū)⑦@些方法與其他方法結(jié)合起來使用,以提高算法的計(jì)算效率和準(zhǔn)確程度。

二、智能損傷識(shí)別方法

隨著計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,為研究者提供了更多的解決損傷識(shí)別問題的思路和方法,盡管這些理論在損傷識(shí)別領(lǐng)域的研究剛剛展開,但這些方法具有各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它們的應(yīng)用為解決結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別提供了一些新的解決途徑。

1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對人腦功能的簡化、抽象和模擬后演變出來的抽象數(shù)學(xué)模型。它具有集體運(yùn)算的能力、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力和很強(qiáng)的容錯(cuò)性、魯棒性,能進(jìn)行聯(lián)系、綜合和推廣,并且具有很強(qiáng)的非線性映射能力?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷識(shí)別方法通過不斷迭代的訓(xùn)練算法來使數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的誤差準(zhǔn)則得以滿足。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在損傷識(shí)別中的基本思路是:首先用無損傷系統(tǒng)的振動(dòng)測量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),用適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法確定網(wǎng)絡(luò)的參數(shù);然后將系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)就有對應(yīng)的輸出。因此,應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測損傷的邏輯思想非常簡單,只要合適地選擇一種測試量,系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)輸出的差異對損傷是靈敏的,它并不涉及原來的系統(tǒng)是線性的還是非線性的。

2.遺傳算法

遺傳算法的發(fā)展是生命科學(xué)與工程科學(xué)相互交叉的結(jié)果,和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣是人工智能發(fā)展的成果,它啟迪于生物的進(jìn)化過程,其本身是一種高效并行優(yōu)化搜索方法,追求搜索全局最優(yōu)解。遺傳算法應(yīng)用于損傷識(shí)別分析,比傳統(tǒng)的優(yōu)化方法有優(yōu)勢,能得到與實(shí)際損傷位置很接近的識(shí)別結(jié)果。

三、無模型損傷識(shí)別方法

無模型損傷識(shí)別方法是通過分析比較直接從振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)程或相應(yīng)的Fourier譜或其他變換得到的特征量,從而識(shí)別損傷的方法。該方法已被成功應(yīng)用于檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)械損傷的存在、位置、類型以及程度。對于橋梁、大跨空間結(jié)構(gòu)、海洋平臺(tái)等大型土木工程結(jié)構(gòu),不依賴模型的僅基于環(huán)境激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別方法是非常吸引人的,也非常適合用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的自動(dòng)損傷識(shí)別。

1.頻域方法

常用的頻域分析方法有Fourier譜分析、多譜分析、倒譜分析等。

2.時(shí)域方法

常用的時(shí)域方法一般采用直接基于信號(hào)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)或建立利用ARMA類模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。

3.基于小波分析的損傷識(shí)別方法

傳統(tǒng)的傅里葉變換屬于一種純頻域的分析方法,其反映的是整個(gè)信號(hào)全部時(shí)間下的整體頻域特征,而不能提供任何局部時(shí)間段上的頻率信息,即無時(shí)域分辨能力。而小波變換在時(shí)域、頻域都具有表征信號(hào)局部特征的能力,基于小波變換的小波分析利用一個(gè)可伸縮和平移的可變視窗,能夠聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行時(shí)頻域處理,既可看到信號(hào)的全貌又可分析信號(hào)的細(xì)節(jié),并且可以保留數(shù)據(jù)的瞬時(shí)特性。基于小波變換的方法,根據(jù)小波變換所起的作用不同,可分為如下幾類:基于小波奇異性檢測的方法、基于損傷前后小波變換系數(shù)變化的方法、基于小波變換和彈性波傳播理論的方法和基于小波包變換的方法。

四、總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別將重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面:(1)結(jié)構(gòu)早期損傷的檢測。(2)傳感器的優(yōu)化布置。(3)非線性損傷識(shí)別方法。

此外,除了在損傷識(shí)別方法上繼續(xù)努力,如何將噪音、隨機(jī)誤差和環(huán)境因素考慮進(jìn)去,也是將結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法應(yīng)用到實(shí)際工程中所必須要解決的問題。