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基于模态分析和应力波技术的结构裂纹识别方法研究

张伟伟  
【摘要】: 结构早期损伤检测是保障结构服役安全的重要方法,为此,本文重点研究了结构中的裂纹参数识别问题。首先综述了过去40~50年内裂纹参数识别方法的研究与发展,在此基础上提出了裂纹参数识别方法的四步骤法,指出损伤指标,损伤模型,识别方法和算法优化是结构裂纹参数识别的四步骤,并按照四步骤对现有的裂纹参数识别方法进行了分类研究,该分类法有利于发现裂纹参数识别方法的内在本质,为发展新的裂纹参数识别提供了基本框架。 随后,围绕结构中的裂纹参数识别问题,开展了基于频率、小波分析、移动载荷下梁响应、以及基于应力导波传播特性的裂纹参数方法研究。频率作为经济、可靠的模态测试量,最早被应用于结构裂纹参数识别。本文以频率为损伤指标,发展了基于传递矩阵的梁裂纹参数识别方法,该方法只需结构前三阶频率即可较准确的同时识别裂纹位置和深度参数。进而利用前三阶频率特征方程构造了目标优化函数,通过目标函数提高了裂纹参数的识别精度。然而,由于频率对局部损伤量的不敏感性限制了频率法的应用范围,因此,作者发展了利用结构振型信息小波变换的裂纹参数识别方法,提出了修正因子改善后的小波系数作为损伤指标时,调整了由于裂纹位置不同对小波系数所造成的影响,并详细描述了利用该方法的识别步骤。为了兼得频率法与小波识别法的优点,提出了频率和小波分析混合法.首先以梁挠度、一阶导数、二阶导数、三阶导数构造状态参量,利用传递矩阵法,详细推导了含裂纹任意段阶梯梁的频率特征方程。利用结构一阶模态的小波变换先识别出裂纹位置,将裂纹位置参数代入频率特征方程利用前两阶频率识别裂纹深度。该方法采取了利用小波变换法和频率法分步骤对结构裂纹参数的识别,简化了数学求解,实现了复杂结构中不确定裂纹参数的识别。 由于传统模态测试技术的限制,振型信息的连续测量较为困难。考虑到车辆在经过桥梁缺陷位置时,也会引起桥梁响应的奇异性。基于此,作者提出了利用移动载荷下梁响应信号的小波包分解法进行裂纹参数识别方法。该方法首先对梁响应信号进行小波包分解,并对各支分解信号进行二插值重构,发现裂纹导致了信号高频部分局部异常,并且该异常与裂纹在梁上的位置一致,这一特性可以帮助我们识别裂纹在梁上的位置。为了识别裂纹深度,利用异常信号能量定义了损伤因子,并研究了裂纹位置和选用小波的不同对损伤因子的影响。 上述方法(即基于频率、振型、以及移动载荷下梁响应的裂纹参数识别方法)需要对结构进行激振,以获得结构模态参数。然而对于一些不易激振的结构,如深埋构件、大坝等,振动识别法的局限性显而易见。基于应力导波的裂纹参数识别法是基于应力波在有界结构中的传播理论提出的,该方法不需要对结构进行激振,降低的测试要求。但由于导波在结构中的传播伴随着复杂的模态转换、频散、衰减的特性,成为该技术应用、发展的难点。本文首先对超声导波的应用和研究现状进行了综述,并对超声导波应用中的常用术语进行了解释。然后,利用有限元技术,研究了管道结构中导波的传播特性,给出了利用裂纹回波的缺陷定位法,建立了反射系数与裂纹大小的关系,为定量分析裂纹大小提供了依据。最后针对于管道中弱回波信号,提出了2种噪声信号检测技术。首先,通过构造窗函数,定义了时移相关系数的计算方法。数值算例验证了该方法的有效性和高敏感性;其次,利用小波变换的带通滤波特性,实现了噪声导波检测信号的小波识别,并重点讨论了不同小波对识别效果的影响,为基于小波分析的超声导波信号分析提供了参考。 最后,开展了基于压电传感器的管道超声导波的裂纹识别研究,利用压电环激发了对称的L(0,2)纵向模态。实验结果表明,频率、导波信号周期是导波激发的敏感指标。频率参数直接影响到导波的激发模态与输出功率,而大周期数尽管可以增加导波的输出功率,却也有可能引起入射导波和反射导波的混叠不利于信号分析。在本次实验中选用20周期,频率约为70kHz时,测试效果良好。此外,本文利用实验手段获得了L(0,2)模态的群速度频散曲线和弥散频散曲线,实验结果与理论值具有良好的一致性。为了降低测试信号的噪声影响,比较了8点FFT Smoothing技术和小波多分辨率分析对导波测试信号进行降噪处理。结果表明,由于小波分析具有多分辨率特性,可以对多个频段信号进行分析,利用小波技术对实验信号的降噪处理明显优于FFT技术。最后,利用缺陷回波峰值与入射波峰值之比定义了缺陷反射系数,考虑导波频散效应,在修正因子取值为0.8时,实验测得反射系数随缺陷大小的变化关系与理论结果具有较好的一致性。


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