利用振型变化进行结构损伤诊断的研究

　　结构的概念范围广阔,与人们的生产、生活息息相关,结构中一旦出现损伤,便威胁到结构的安全性,甚至引起灾难性事故。针对这一问题,人们早已进行了相关的研究来确保结构的安全性,结构健康监测(SHM, Structure Health Monitoring)的研究随之产生。在结构健康检测中结构损伤诊断又是其研究的核心和难点问题。

　　结构的动态特性是结构的固有特性,任何结构都可以看作是由质量、刚度、阻尼矩阵构成的动力学系统。结构一旦受到损伤或发生故障,结构的物理参数会随之发生变化,引起结构刚度的减小和阻尼的增加。刚度的减小又伴随着结构自然频率的减小和结构模态振型的改变。寻找模态参数与结构损伤的关系,利用结构损伤前后模态参数的改变来反映结构损伤的特征,可对其进行诊断。基于结构动态特性的结构损伤识别技术已成为国际学术界和工程界关注的热点问题。1975年,Adams[1]最早利用结构自然频率的减小和阻尼的增加来检测纤维增强复合材料中的裂纹。Cawley和Adams应用频率变化平方比,检测结构损伤位置[2]。国内一些学者对悬臂梁、简支梁、钢桁架结构的数值模拟计算分析表明应用频率来进行结构损伤诊断的可行性和良好的发展前景[3~5]。

　　除了结构的模态频率外,结构的振型也可用于结构损伤的诊断,尽管结构振型的测试精度低于频率,但振型包含更多的损伤信息,利用振型来识别损伤有两种途径:一是直接利用结构损伤前后的振型变化来识别损伤;二是由振型构造结构损伤标识量,由标识量的变化或其取值的来识别损伤。其中基于MAC,COMAC准则的损伤识别[6,7]和基于振型相对变化量的损伤识别[8,9]是具有代表性的方法。本文以结构模态振型的变化为基础,应用神经网络的方法对结构的损伤诊断进行研究。

　　1　结构损伤模拟和模态分析

　　本文以悬臂梁结构为研究对象并在其上进行损伤模拟。所采用的梁为钢材料矩形截面梁,其相应的几何和物理参数如表1。

　　用有限元通用商业软件ANSYS对悬臂梁模型进行模态分析。悬臂梁模型的建立采用AN-SYS单元库中的二维梁元,共分20个单元,21个节点,其有限元模型划分如图1。在振动特征值问题中,假设结构损伤只影响结构刚度矩阵而不影响质量矩阵。即完好结构的特征方程为

　　其中:K,K′为完好和有损结构的刚度矩阵;λj,λ′j为完好和有损结构的第j阶特征值(模态频率);M为结构的质量矩阵;yj,y′j为完好和有损结构的第j阶位移特征向量(模态振型)。用AN-SYS进行模态分析时,因为仅分析悬臂梁的弯曲振动,所以只考虑沿Y轴移动的自由度。同时对位移模态振型进行计算时,计算出的模态振型根据质量矩阵进行归一化处理yTjMyj=1。