一種輕質高強梁結構損傷識別方法技術

本發明專利技術涉及一種輕質高強梁結構損傷識別方法，本發明專利技術所述方法基于附加質量的頻率靈敏度損傷方程和模態應變能損傷方程，得到結構的綜合損傷指標，對輕質高強梁進行損傷位置和損傷程度的識別。本發明專利技術利用模態振型和模態應變能計算的損傷指標能夠準確地表述輕質高強結構的損傷位置和損傷程度，計算的損傷參數更加準確，求解結構損傷參數的方法比現有技術相比更加準確。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種輕質高強梁結構損傷識別方法，屬于結構無損檢測

技術介紹
無損檢測技術是在不損傷結構中材料的前提下，將結構中的損傷或缺陷等檢測出來，是一種不離架、不解體、非介入的檢測手段，對于建立復雜結構損傷快速檢測手段具有十分明顯的優勢。實際工程應用中，結構發生損傷時，在無法用肉眼觀察的情況下，細微損傷會逐漸累積，如果沒有及時修補，會造成不可估量的后果。結構損傷識別就是求出結構在損傷前后的模態參數，亦即求出結構損傷前后的固有頻率和模態振型，進而求出結構各單元的損傷參數。對進行結構損傷識別時，一方面需要知道相同規格的未損傷結構的模態參數，另一方面需要知道待檢測結構的模態參數。目前，工程中最常用的檢測方法為靈敏度法，如頻率靈敏度法、剛度靈敏度法、柔度靈敏度法等，靈敏度法簡單快速、易操作，能夠有效地識別出結構各個單元的損傷程度，通過在結構上添加質量塊并進行損傷識別，較原方法精度有較大提升。然而，使用該方法對輕質高強結構進行損傷識別時，由于結構具有高強度、質量輕等特點，損傷識別中在損傷位置的對稱部位會出現誤檢情況，而基于模態應變能法構建的損傷指標能夠較準確的識別損傷位置。如果將兩種方法相結合，充分發揮兩者的優點，這樣既能識別結構損傷位置，又能識別損傷程度，對輕質高強結構進行損傷識別時能夠取得較好的檢測效果。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種計算結果較準確的基于模態振型和模態應變能的輕質高強梁結構損傷識別方法。本專利技術解決其技術問題所需采用的技術方案：本專利技術所述方法基于附加質量的頻率靈敏度損傷方程和模態應變能損傷方程，得到結構的綜合損傷指標，對輕質高強梁進行損傷位置和損傷程度的識別；一、所述方法需要依據的計算公式：首先，附加質量的頻率靈敏度法確定結構損傷，計算公式為(1)式：γ=S+Sm+Δλ---(1)]]>式中，γ為結構單元的損傷參數，無量綱，S+為頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Sm+為附加質量后頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Δλ為結構損傷前后的固有頻率差，單位為赫茲；Δλ、S、Sm、γ的具體表達式如下式(2)：Δλ=(Δλ1Δλ2...Δλn|Δλ1mΔλ2m...Δλnm)T]]>γ＝(γ1γ2…γN)T式中，n為模態階數，上標m表示附加質量，N為梁結構沿長度方向劃分單元數，△λi、為附加質量前后第i階模態下固有頻率的變化量，表達式如下式(3)所示：Δλi=λi*-λiΔλim=λi*m-λim---(3)]]>式中，為結構損傷后的固有頻率，λi為結構損傷前的固有頻率，為結構損傷后附加質量的固有頻率，為結構損傷前附加質量的固有頻率；S、Sm中元素和的表達式如下式(4)：式中，為附加質量前結構第i階模態振型，為的轉置向量，為附加質量后結構第i階模態振型，為的轉置向量，Kj為結構j單元的剛度矩陣在整體坐標系下的貢獻矩陣，即Kje=EIl3126l-126l6l4l2-6l2l2-12-6l12-6l6l2l2-6l4l2]]>其中，EI為梁的單元彎曲剛度，l為單元長度。其次，基于模態應變能法計算結構損傷，公式為(5)式：γ*=(1nΣi=1nUi1*-Ui1Ui1,1nΣi=1nUi2*-Ui2Ui2,...1nΣi=1nUiN*-UiNUiN)T---(5)]]>式中，γ*為基于模態應變能法的損傷指標，梁結構單元損傷前后第i階模態下j單元的模態應變能Uij和的表達式為下式(6)：式中，為梁結構損傷后第i階模態振型，為的轉置向量；然后，對(5)式進行歸一化處理如下式(7)：γ‾*=1max(γ1*,γ2*,...γN*)Tγ*---(7)]]>最后，將附加質量頻率靈敏度損傷指標γ與模態應變能法損傷指標按下式(8)融合：β=γ.γ‾*=γ1γ‾1*γ2γ‾2*...γNγ‾N*T---(8)]]>式中，向量γ與向量為點乘關系，即對應單元基于兩種損傷識別方法的損傷指標相乘。二、所述方法的具體步驟如下：步驟(一)：選取與待檢測梁試件相同規格且無損傷的試件；步驟(二)：沿梁長度方向劃分為N個單元，測量梁單元長度l；步驟(三)：利用梁彎曲實驗得到梁的彎曲剛度EI，單位為牛頓·米2；步驟(四)：計算單元剛度矩陣Kj；步驟(五)：在兩個試件上布置加速度傳感器，進行模態分析實驗，得到低階模態固有頻率λi、和模態振型步驟(六)：在兩個試件上附加質量快，再次進行模態分析實驗，得到附加質量后的低階模態固有頻率和模態振型步驟(七)：根據式(2)求附加質量前后頻率靈敏度矩陣S的逆S+以及Sm的逆Sm+；步驟(八)：將步驟(五)、步驟(六)和步驟(七)得到的參數代入式(1)，得到基于附加質量法的頻率靈敏度結構損傷程度參數γ；步驟(九)：將步驟(四)和步驟(五)得到的參數代入式(5)，得到基于模態應變能法的結構損傷指標步驟(十)：將步驟(九)得到的參數經過式(7)處理，然后與步驟(八)得到的參數代入式(8)，得到綜合后的損傷指標，既能識別損傷位置，又能較精確地識別損傷程度。本專利技術的有益效果如下：(1)由于本專利技術利用模態振型和模態應變能計算的損傷指標能夠準確地表述輕質高強結構的損傷位置和損傷程度，計算的損傷參數更加準確。(2)本專利技術求解結構損傷參數的方法比現有技術相比更加準確。附圖說明圖1為梁試件示意圖；圖2為試件上布置加速度傳感器示意圖；圖3為附加質量前后頻率度法損傷識別結果圖；圖4為模態應變能變化損傷檢測結果圖；圖5為三種損傷識別方案的識別結果圖。具體實施方式如附圖1-5所示，本專利技術實施例1：為了進一步說明本專利技術所述方法，本實施例1與附加質量前后的頻率靈敏度法計算結果相比較，本實施例1的具體計算步驟如下：步驟(一)：上述實施例中采用所用的梁結構的物理參數(見下表1)：表1梁結構的物理參數步驟(二)：確定了梁結構物理參數，在梁結構上布置加速度傳感器進行模態分析，圖1和圖2給出了梁結構試件和布置加速度傳感器。依據
技術實現思路
部分中步驟(五)，得到附加質量前結構損傷前后的低階模態參數；依據
技術實現思路
部分中步驟(六)，得到附加質量后結構損傷前后的低階模態參數。并依據步驟(七)和步驟(八)，計算基于附加質量法的頻率靈敏度損傷參數γ，圖3給出了附加質量前后頻率度法損傷識別結果；依據步驟(九)得到基于模態應變能法的結構損傷指標圖4給出了模態應變能損傷檢測結果；通過步驟(十)得到綜合后的損傷指標β，圖5給出了綜合后的損傷識別結果，并與其他方法進行比較。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種輕質高強梁結構損傷識別方法，其特征在于所述方法基于附加質量的頻率靈敏度損傷方程和模態應變能損傷方程，得到結構的綜合損傷指標，對輕質高強梁進行損傷位置和損傷程度的識別；一、所述方法需要依據的計算公式：首先，附加質量的頻率靈敏度法確定結構損傷，計算公式為(1)式：γ=S+Sm+Δλ---(1)]]>式中，γ為結構單元的損傷參數，無量綱，S+為頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Sm+為附加質量后頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Δλ為結構損傷前后的固有頻率差，單位為赫茲；Δλ、S、Sm、γ的具體表達式如下式(2)：Δλ=(Δλ1Δλ2...Δλn|Δλ1mΔλ2m...Δλnm)T]]>γ＝(γ1?γ2?…?γN)T式中，n為模態階數，上標m表示附加質量，N為梁結構沿長度方向劃分單元數，△λi、為附加質量前后第i階模態下固有頻率的變化量，表達式如下式(3)所示：Δλi=λi*-λiΔλim=λi*m-λim---(3)]]>式中，為結構損傷后的固有頻率，λi為結構損傷前的固有頻率，為結構損傷后附加質量的固有頻率，為結構損傷前附加質量的固有頻率；S、Sm中元素和的表達式如下式(4)：式中，為附加質量前結構第i階模態振型，為的轉置向量，為附加質量后結構第i階模態振型，為的轉置向量，Kj為結構j單元的剛度矩陣在整體坐標系下的貢獻矩陣，即其中，EI為梁的單元彎曲剛度，l為單元長度。其次，基于模態應變能法計算結構損傷，公式為(5)式：式中，γ*為基于模態應變能法的損傷指標，梁結構單元損傷前后第i階模態下j單元的模態應變能Uij和的表達式為下式(6)：式中，為梁結構損傷后第i階模態振型，為的轉置向量；然后，對(5)式進行歸一化處理如下式(7)：最后，將附加質量頻率靈敏度損傷指標γ與模態應變能法損傷指標按下式(8)融合：式中，向量γ與向量為點乘關系，即對應單元基于兩種損傷識別方法的損傷指標相乘。二、所述方法的具體步驟如下：步驟(一)：選取與待檢測梁試件相同規格且無損傷的試件；步驟(二)：沿梁長度方向劃分為N個單元，測量梁單元長度l；步驟(三)：利用梁彎曲實驗得到梁的彎曲剛度EI，單位為牛頓·米2；步驟(四)：計算單元剛度矩陣Kj；步驟(五)：在兩個試件上布置加速度傳感器，進行模態分析實驗，得到低階模態固有頻率λi、和模態振型步驟(六)：在兩個試件上附加質量快，再次進行模態分析實驗，得到附加質量后的低階模態固有頻率和模態振型步驟(七)：根據式(2)求附加質量前后頻率靈敏度矩陣S的逆S+以及Sm的逆Sm+；步驟(八)：將步驟(五)、步驟(六)和步驟(七)得到的參數代入式(1)，得到結構損傷程度參數γ；步驟(九)：將步驟(四)和步驟(五)得到的參數代入式(5)，得到結構損傷指標步驟(十)：將步驟(九)得到的參數經過式(7)處理，然后與步驟(八)得到的參數代入式(8)，得到綜合后的損傷指標，既能識別損傷位置，又能較精確地識別損傷程度。...

【技術特征摘要】
1.一種輕質高強梁結構損傷識別方法，其特征在于所述方法基于附加質量的頻率靈敏度損傷方程和模態應變能損傷方程，得到結構的綜合損傷指標，對輕質高強梁進行損傷位置和損傷程度的識別；一、所述方法需要依據的計算公式：首先，附加質量的頻率靈敏度法確定結構損傷，計算公式為(1)式：γ=S+Sm+Δλ---(1)]]>式中，γ為結構單元的損傷參數，無量綱，S+為頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Sm+為附加質量后頻率靈敏度矩陣的廣義逆矩陣，Δλ為結構損傷前后的固有頻率差，單位為赫茲；Δλ、S、Sm、γ的具體表達式如下式(2)：Δλ=(Δλ1Δλ2...Δλn|Δλ1mΔλ2m...Δλnm)T]]>γ＝(γ1γ2…γN)T式中，n為模態階數，上標m表示附加質量，N為梁結構沿長度方向劃分單元數，△λi、為附加質量前后第i階模態下固有頻率的變化量，表達式如下式(3)所示：Δλi=λi*-λiΔλim=λi*m-λim---(3)]]>式中，為結構損傷后的固有頻率，λi為結構損傷前的固有頻率，為結構損傷后附加質量的固有頻率，為結構損傷前附加質量的固有頻率；S、Sm中元素和的表達式如下式(4)：式中，為附加質量前結構第i階模態振型，為的轉置向量，為附加質量后結構第i階模...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王龍，段靜波，江濤，路平，蔚建斌，邱金剛，史風鳴，
申請(專利權)人：中國人民解放軍軍械工程學院，
類型：發明
國別省市：河北;13