基于機(jī)電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究

楊茂

【摘 要】隨著國內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，日益向大型化、復(fù)雜化和智能化方向發(fā)展。這些重要工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別越來越受到學(xué)術(shù)界和工程界的重視。壓電智能材料的成功應(yīng)用，為基于機(jī)電阻抗法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。機(jī)電阻抗技術(shù)集激勵(lì)和傳感于一體，具有主動(dòng)自感知的優(yōu)良特性，屬于高頻局部損傷探測(cè)技術(shù)的范疇，對(duì)結(jié)構(gòu)早期微小損傷非常敏感，并且可以隔離環(huán)境或遠(yuǎn)程荷載，適合結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)。近年來，機(jī)電阻抗技術(shù)在航空航天、機(jī)械工程和土木工程等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。但是，機(jī)電阻抗技術(shù)在阻抗建模、數(shù)據(jù)分析以及損傷識(shí)別等方面仍然存在很多挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電阻抗；結(jié)構(gòu)損傷；識(shí)別方法

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)速度的不斷加快，社會(huì)需求的日益提高，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)。土木工程結(jié)構(gòu)逐漸趨向大型化、復(fù)雜化和多樣化。這些工程結(jié)構(gòu)體形龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，服役期往往長達(dá)幾十年，甚至上百年。同時(shí)，這些結(jié)構(gòu)在國民生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，一旦在服役期間出現(xiàn)嚴(yán)重事故，如橋梁的突然折斷、房屋建筑的驟然倒塌、輸油管道的泄露等，必將給國家造成重大的社會(huì)影響和財(cái)產(chǎn)損失。但是，處于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)，長期受到各種環(huán)境荷載以及地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯、爆炸和車船碰撞等突發(fā)性荷載的共同作用，從服役開始結(jié)構(gòu)就面臨著損傷問題。隨著工程結(jié)構(gòu)服役年限的不斷增加，結(jié)構(gòu)中經(jīng)常存在的表面破損或缺陷，易引起人們的重視；而結(jié)構(gòu)中還存在著肉眼不可見的內(nèi)在缺陷和微小損傷，這些損傷較易被忽視。當(dāng)損傷積累到一定程度后，會(huì)造成工程結(jié)構(gòu)的抗力衰減，使結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性和耐久性降低，極端情況下會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的突然失效，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。為了保證工程結(jié)構(gòu)的安全，就需要一個(gè)有效的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，使損傷積累尚未到達(dá)威脅結(jié)構(gòu)安全程度之前就能夠被檢測(cè)出來，從而對(duì)損傷結(jié)構(gòu)給予及時(shí)修復(fù)，保證工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

1機(jī)電阻抗模型

機(jī)電阻抗技術(shù)是一種不依賴于模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別技術(shù)。對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于沒有建立合適的理論模型，很難將所測(cè)得的電阻抗信號(hào)同被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)定量地聯(lián)系起來。因此，建立合適的機(jī)電阻抗模型，對(duì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的定量分析具有重要意義。目前，用于傳感器一主體結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)分析的方法主要有三種，分別為靜力等效法、動(dòng)力有限元法以及機(jī)電阻抗法。

靜力等效法主要基于兩個(gè)基本假定：即傳感器與主體結(jié)構(gòu)之間的相互作用是位于傳感器端部的集中力，以及獲得的集中力與激勵(lì)頻率無關(guān)。該集中力可通過傳感器與結(jié)構(gòu)的位移協(xié)調(diào)方程和靜力平衡方程求解得到，然后用該力求解結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)力有限元法是數(shù)值求解中應(yīng)用較為廣泛的一種，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的有效手段。但其仍存在不足之處，例如，為了滿足收斂性，在機(jī)電阻抗傳感器周圍需要很精細(xì)的網(wǎng)格劃分，這導(dǎo)致計(jì)算效率較低：并且沒有反映傳感器與結(jié)構(gòu)相互作用的物理本質(zhì)。機(jī)電阻抗法作為分析研究傳感器與結(jié)構(gòu)相互作用的重要方法之一，它具有物理意義明確、計(jì)算效率高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的研究對(duì)象之一。

2結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的幾部分內(nèi)容中，結(jié)構(gòu)損傷診斷與識(shí)別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的核心。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的最主要環(huán)節(jié)就是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究。結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生損傷具體表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的某些特征參數(shù)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，診斷結(jié)構(gòu)損傷是否存在，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置及發(fā)展程度。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究的基本內(nèi)容有三個(gè)：1）判斷結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生損傷；2）判別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置；3）判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)可以分為全局損傷識(shí)別技術(shù)和局部損傷識(shí)別技術(shù)。全局損傷識(shí)別方法針對(duì)于解決整個(gè)結(jié)構(gòu)特別是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問題。結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)，必將影響結(jié)構(gòu)的固有屬性，使得表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的某些特征參數(shù)發(fā)生變化，如結(jié)構(gòu)固有頻率的改變、結(jié)構(gòu)阻尼的增大、結(jié)構(gòu)剛度的降低等。因此，通過研究損傷產(chǎn)生前后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別?；谡駝?dòng)的模態(tài)分析方法對(duì)檢測(cè)簡單結(jié)構(gòu)的全局損傷比較可靠，而基于波動(dòng)的損傷識(shí)別方法對(duì)局部損傷較為敏感。

3基于粘貼型機(jī)電阻抗傳感器的管道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究

機(jī)電阻抗（EMI）技術(shù)作為近來興起的一種有效的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，其對(duì)結(jié)構(gòu)局部區(qū)域特性的變化很敏感，便利于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的損傷并對(duì)損傷程度進(jìn)行評(píng)估。對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的損傷監(jiān)測(cè)，是建立管道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)的基本前提。管道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)的有效運(yùn)行離不開機(jī)電阻抗傳感器的合理布設(shè)，機(jī)電阻抗傳感器的形狀、數(shù)量和位置對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果起決定性的作用。

將統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)RMSD作為損傷指數(shù)，定量地分析管道系統(tǒng)局部損傷的發(fā)展過程以及發(fā)展程度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋損傷的定位。得到以下結(jié)論：

（1）直管道結(jié)構(gòu)與K型管結(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)結(jié)果一致反映出：I）基于EMI技術(shù)能夠靈敏地反映管道系統(tǒng)中局部微小變化，能對(duì)管道系統(tǒng)早期的局部微小損傷進(jìn)行有效地識(shí)別；2）在損傷程度不斷擴(kuò)展的過程中，損傷指數(shù)RMSD逐漸增長，并且結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗和結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D的損傷指數(shù)增幅更大，變化更加明顯。由此定量地描述管道系統(tǒng)局部損傷的發(fā)展過程以及發(fā)展程度；3）通過布設(shè)的機(jī)電阻抗傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)管道系統(tǒng)中損傷發(fā)生的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道系統(tǒng)裂紋損傷的定位。

（2）直管道試驗(yàn)結(jié)果中，對(duì)比裂紋I與裂紋II的結(jié)構(gòu)等效機(jī)械阻抗和結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D對(duì)應(yīng)的損傷指數(shù)RMSD發(fā)現(xiàn)：傳感器距離損傷位置越近，損傷指數(shù)RMSD越大且變化越明顯，識(shí)別的效果越好。

（3）基于K型管結(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）當(dāng)裂紋損傷發(fā)生在弦管上時(shí)，布置在弦管的機(jī)電阻抗傳感器對(duì)于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出兩種裂紋的存在。通過研究結(jié)構(gòu)損傷敏感因子D對(duì)應(yīng)的損傷指數(shù)RMSD發(fā)現(xiàn)，靠近損傷一側(cè)的撐管上部分機(jī)電阻抗傳感器能夠微弱地感應(yīng)到弦管上出現(xiàn)的損傷，這說明了撐管上各傳感器對(duì)于弦管上的損傷不敏感：2）當(dāng)裂紋損傷發(fā)生在撐管上時(shí)，撐管的機(jī)電阻抗傳感器對(duì)于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出裂紋損傷的存在。弦管上接近裂紋損傷的機(jī)電阻抗傳感器能夠感應(yīng)到撐管上出現(xiàn)的裂紋損傷；3）當(dāng)裂紋損傷沿焊縫處發(fā)展，在弦管和撐管上接近裂紋損傷的機(jī)電阻抗傳感器都能夠感應(yīng)到裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展過程，這說明了利用改進(jìn)的EMI技術(shù)能夠同時(shí)在弦管和撐管上監(jiān)測(cè)沿焊縫發(fā)展的裂紋損傷。

結(jié)束語

工程結(jié)構(gòu)的安全問題己經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注和重視，如果能在災(zāi)難到來之前對(duì)其預(yù)測(cè)，進(jìn)行評(píng)估以趨利避害成為目前研究的焦點(diǎn)。因此，對(duì)工程結(jié)構(gòu)整個(gè)服役期的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，有效地避免突發(fā)事故造成的傷害，已經(jīng)成為未來土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別研究中的主要內(nèi)容和必然要求，也是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。

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（作者單位：國網(wǎng)山東省電力公司招遠(yuǎn)市供電公司）