工程结构裂纹损伤振动诊断的发展现状和展望

    0　引　言

    结构的损伤首先表现为结构裂纹的出现和扩展。结构裂纹的存在,在某种程度上决定着结构的可靠性。而安全性是工程结构最基本的要求[1]。大型复杂结构,初始微小裂纹是不易被发现的。但裂纹扩展的恶劣后果往往导致重大灾难性事故的发生,如航空失事、桥梁突然断裂坍塌、海洋平台翻沉等,造成重大的人员伤亡和巨大经济损失。对结构是否产生裂纹、裂纹的位置、裂纹的损伤程度进行及时诊断和评估,从而维持其正常使用成为工程中必需的技术。

    结构损伤诊断的方法有振动诊断法、声发射法、超声波诊断法、射线诊断法、光学诊断法、涡流诊断法、磁粉诊断法、泄漏诊断法、红外诊断法[2]。除此之外,人工神经网络方法、遗传算法、小波分析技术等先进智能诊断方法也大量应用于结构的损伤检测。

    振动诊断具有非破坏性、方便、快速和廉价的优点。其余几种诊断方法由于对操作人员的要求比较严格,以及只适用于某些特殊场合和结构,而应用不太广泛。

    此外,还有其它结构裂纹诊断方法。文献[3]对裂纹梁进行了灰色残差辨识预测。文献[4]采用基于概率断裂力学和损伤容限结合的方法。Nauerz[5]提出利用能量谱密度识别参数对结构损伤进行损伤识别和定位。此后,利用不同的损伤识别参数对结构损伤进行诊断成为热点。

    1　工程结构裂纹的振动诊断发展现状

    工程结构裂纹的振动诊断,目前的研究大都还集中在梁结构、刚架结构和旋转机械上。包括单裂纹识别和多裂纹识别。Ostachowicz和Krawczuk[6]研究了裂纹已知时,裂纹损伤对结构动力特性的影响。

    对工程结构裂纹采用振动方法进行检测的研究工作可以追溯到20多年前Cawley和Adams[7]的研究工作。到目前为止,损伤的振动监测技术最成功地应用于旋转机械的损伤监测上[8]。机械转子裂纹损伤的诊断研究始于20世纪60年代初[2]。之后,Gudmun-son[9]通过摄动分析研究了裂纹、缺口和其他缺陷对结构特征值的影响。Liang等[10]对文献[7]的方法进行了进一步研究,并对梁结构中裂纹引起的结构固有频率变化进行了理论分析,指出频率的变化率和裂纹的位置密切相关。

    2 0世纪70年代和80年代期间,随着石油工业的发展,基于振动的损伤监测技术应用于海洋平台的损伤检测得到进一步发展。和旋转机械相比,由于海洋工程结构损伤位置未知和大部分的结构位于水下,不容易发现和测量等原因,使得海洋平台的损伤监测和旋转机械有着本质的区别[8]。

    20世纪70年代末到80年代初,航天组织和航天飞机的发展使基于振动的损伤监测得到进一步应用。(美国)国家航空和航天局(NASA)继续这一研究。航天模型监测系统(SMIS)开发了识别例如控制表面,机身面板和起落架表面等组件损伤[8]。