基于应变模态变化率的压力管道无损检测

　　0　引　言

　　工程结构的许多事故常常是由结构构件的微小疲劳裂缝而引起的.而压力管道如石油管道、天然气管道、煤气管道等事故的发生除了由微小疲劳裂缝引起之外,还由诸如管道腐蚀等引起的截面减小、内在裂纹而引起.这些裂纹和微小的损伤都是潜在的危害,不易观察;如果不及时发现和替换,一旦引发事故将会给社会生产和人民生活带来巨大的危害.所以对压力管道进行在线检测和评估,在其发生事故之前提前预告其损伤,对保证社会生产和生活以及保护人民的生命财产具有很大的实际意义.

　　目前所存在的结构无损检测技术有很多种,如:电测法、超声波法、化学法、模态法等.这些方法在理论上可以适应于任何结构、任何环境,但是由于结构以及所处环境的特殊性、复杂性,有些检测方法所用的参数受外界条件和其他因素的影响比较大,使得损伤检测难度加大而且检测效果也不理想.所以具体的方法只适用于具体工程结构或者具体的工程环境,目前尚无统一和有效的结构损伤检测方法.尤其当考虑到经济因素时,有些无损检测方法的确可靠,但是工程预算比较大、实测费用昂贵,不实用.因此,在诸多的方法中,基于振动模态的检测方法由于其相对简单性和易测性,使得它在大型工程结构的无损检测技术中显示出突出的地位[1].

　　目前国内外的许多学者都在积极研究基于振动模态的结构无损检测技术.如Hearn和Agbabian等研究利用“频率变化平方比”对结构破损进行定位[1];Maeck和Abdel对比不同的技术方法以得到弯曲梁的动态弯曲刚度进行损伤识别[2].国内也有许多学者在研究无损检测技术,他们对基于振动模态的结构的无损检测技术和方法也进行了发展和改进.其中高芳清等研究利用不同阶振型对不同的单元损伤具有不同的敏感性来进行损伤识别[3、4],于德介等利用模态的正则化建立损伤识别参数以进行破损识别[5],史治宇等用单元模态应变能变化率法进行损伤识别[6],董聪、邓焱等也对基于模态的损伤识别技术进行了研究和尝试[7、8];他们的研究为模态无损检测技术和方法的发展开辟了道路并作出了积极的贡献.

　　1　理论分析

　　结构振动的特征值问题,由下述方程描述

　　式中:K、M分别是整体刚度矩阵和整体质量矩阵,i是第i阶正则化振型,ωi是对应的第i阶固有频率.对于工程结构,裂纹损伤常常使结构的刚度产生明显变化,而质量分布几乎不受影响,并且结构局部腐蚀损伤引起的刚度下降远比质量的减小显著.当结构的刚度矩阵产生了一个小小的摄

　　2　数值算例与分析

　　2.1　算　例