(2)a d ≥a cr 时,T d 的长度为零或负值即无可监测期,则结构没有可监测性。
实施结构检测必须使得结构具有可监性,在可监测的范围内结构具有足够的安全服股期。增强结构损伤可监测性取决于两大因素,即采用先进的检测技术降低a d 和采用高韧性材料和执行损伤容限规范保证高的a cr 。实际上,a i ,a d 和a cr 都不可能是确定值,而是具有不同参数的概率分布。因此,可监测性好坏应按可监测概率的高低确定。只有对具有较高损伤容限性能的结构采用具有足够分辨率的检测与监测方法,才可能进行有效地损伤监测。总结几十年来关于损伤监测的研究,大致有下列的研究内容和研究程序:
(1)损伤机理的研究。研究机械结构的损伤及故障产生的原因,为防止损伤和故障发生提供理论基础。
(2)状态监测识别。了解与判别机械结构系统的运转情况与状态,为确保系统的正常工作,防止事故发生提供理论技术基础。
(3)特征提取方法研究。研究损伤特性的表达方式以及特征信息的提取方式与方法,为正确判别损伤的类型、程度奠定理论基础。
(4)诊断损伤。综合有关方面的信息,对损伤和故障进行判断。对于机械系统与结构的典型或单一损伤故障,无论采用何种方法都比较容易识别。而对于大型复杂设备与系统结构,由于外部干扰等多种因素的综合影响,这些外部特征可能减弱、消失和重叠,因而难以获得所需的特征信息并作出判断。另外,系统结构元素的损伤和特征之间并不是一一对应的关系,尤其是在复杂的非线性结构系统中,特征和损伤之间是复杂的非线性关系,因而当损伤故障出现时,难以根据一个或几个特征找到损伤源。
(5)规划与决策。对判断正确的损伤和故障,进
08振 动、测 试 与 诊 断 第23卷
机械结构损伤监测的研究内容包括损伤机理、损伤诊断理论及方法、损伤检测技术的研究[4]。其中损伤诊断理论及方法是损伤监测的核心和基础,它决定了损伤监测结果的有效性、精确性和可靠性。损伤诊断理论及方法的主要内容是损伤特征提取问题,即借助于信号处理的理论与技术对原始测量数据进行加工处理、提取信息,获取最能代表损伤信号特征的有关信息参数,应当结合损伤容限和可监测性进行损伤信息的特征提取。目前损伤容限理论已向三维损伤方向发展[5],常用于特征提取的方法主要有:传统的谱分析方法[6],传统的时域波形分析法[7],小波变换、时频分布和高阶统计量分析法[8～10],分形及分维数分析法等[11],正在兴起的适用于回转机械的循环平稳信号分析法[12],以及能够从大量的数据中发掘出隐含特征信息的数据挖掘分析方法[13]。
一般来讲,结构损伤监测与诊断的特征可以通过量化指标来衡量,这些量化指标称为特征参数,这些特征参数有下列几种:
(1)按测量对象可分为应力、应变、位移(包括速度、加速度等)、温度、压力、流量、电压、功率、噪声(声强、声压)等。
(2)按特征提取方法可分为幅域参数(包括幅值、峰值、有效值、峭度、裕度等)、时域参数(包括时域模型参数、特征根、模型残差、倒谱参数等)、频域参数(包括特征频率、回转频率、奈奎斯特频率、模态参数、功率谱、幅值谱、相位谱等)。
(3)特征参数评价指标包括灵敏度、稳定性、识别率(即特征参数对损伤类型的识别概率)。
2 结构损伤监测的研究现状
在机械结构的损伤失效当中,疲劳失效、断裂失效、磨损失效等是常见的失效方式,而疲劳失效是结构的基本和主要的破坏模式之一。由于疲劳载荷的作用,环境腐蚀,材料老化,构件缺陷以及其他自然及人为的因素,结构会产生一定的疲劳裂纹并发生扩展,并最终导致设备发生故障或失效,甚至酿成重大事故。机械设备的老化必然对其安全使用与运行造成一定的影响。为了确保设备结构安全可靠地工作,对大型结构、重要设备,如发电站、桥梁、管道、飞机等的运行状态、结构损伤、故障等进行监测和诊断,就成为摆在科技人员面前的头等大事。
疲劳损伤的发现、检测、定位以及延缓与控制,是保障结构安全的重要途径之一,而疲劳损伤的发现、检测是其中的首要环节。检测与监测的好坏主要在于检测监测方法的有效性与先进性,先进的监测方法具有可监性,且可检测到的损伤量是非常小的,甚至会发现材料的初始缺陷。检测的过程概括起来可以分为以下4种:a1仅仅判断结构内是否有损伤产生;b1判断损伤是否发生,并获得损伤发生的位置;c1判断损伤是否发生,获得损伤发生的位置与损伤的程度;d1判断损伤是否发生,获得损伤发生的位置和损伤的程度,并评估损伤对系统结构安全的影响[14,15],预测结构系统的未来寿命,进而采取有效的措施进行控制。目前,大部分结构状态损伤与监测的水平处于前两级[16]。
2.1 现有的损伤监测与诊断方法
纵观国内外三十多年来的研究发展可知,以往的损伤监测与诊断方法主要有无损检测法和振动分析法两大类,近年来的发展趋势是视频显微探测方法和以现代信号处理为基础的小波、神经网络与分形等检测方法。
2.1.1 无损检测方法
无损检测法是在不破坏被检测对象的前提下,利用物质某一物理性质因存在缺陷而发生变化的特点进行检测,包括温度检测法、油液分析法、射线探伤、超声检测、声发射检测、磁力探测、涡流检测等等。该方法检测时不需要破坏系统的结构,但需要非常昂贵的专用设备且多数是在停机情况下才能进行检测,因而缺乏实时性,对于高速运转的系统及突发性裂纹故障等难以识别。
常见的实验室无损检测的方法有:光学检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测、超声检测、射线检测、全息技术检测等。进行现场检测时,需要使用一些传感器如应变片、加速度计、光纤、声发射传感器、微波器件等。而应变传感器灵敏度较高,使用广泛,但仅能测量某一区域的信息;光纤传感器可以测量结构的应变、振动等信息,但不易用于复杂的结构,不易嵌入结构内部;利用声发射传感器来检测裂纹,可以检测尺寸十分细小裂纹的扩展,但无法检测裂纹不扩展时结构的损伤,且声发射传感器输出的信号十分微弱,易受环境、连接点处的反射等干扰,因此,必须具备一套专用的检测设备系统。
(1)温度检测法
温度检测法是通过测试机械系统或结构的发热程度来诊断损伤的一种方法,主要用于检测磨损和胶合类故障。只有当系统元件接触运动后发热,才能
18
第2期 得到检测,因而对于突发性裂纹故障难以检测。
(2)油液分析法
油液分析法是通过提取从系统中分离出来的油液化学成份,检测磨损的微粒来识别磨损、胶合、疲劳点蚀等故障的一种方法。该方法常用于液压系统和润滑系统的损伤监测与诊断,需要大量的测试仪器设备,诊断周期较长,而且一般只能在实验室进行诊断,诊断结果受操纵人员的影响较大,特别是对于像裂纹之类易引起突发的灾难性故障,很难做出判断。
(3)声发射方法
声发射技术是20世纪60年代以来发展起来的一种评价材料力学性和压力容器完整性的无损检测的方法。当材料受外力或内力作用而产生塑性变形、裂纹及相变时,分子晶格发生位错及滑移,在这一过程中,晶格释放应变能。而一部分应变能以弹性应力波的形式发射出来[17]。这种弹性波经谐振传感器转换成脉冲,从而提取出声发射特征。常用的检测参数有脉冲发生的次数、持续时间、上升时间、幅度等,可以在时域或频域对信号进行分析。与普通振动信号分析的情况相比,声发射信号具有较宽的频率范围,信息量更大,利用高频段信号进行诊断和监测,可以有效地排除其他低频干扰信号,因此信噪比较高[18]。这种声发射技术广泛应用于管道、发电站、飞机、桥梁、混凝土、木制结构系统等[19,20],特别是在压力容器安全性检测与评价、焊接过程的监控和焊缝焊后完整性检测、核反应堆的安全性检测以及断裂力学的领域取得了重要的进展,最常用于结构完整性的评估和识别裂纹的产生与扩展[21],以及机械加工刀具磨损状况的监测、轴承磨损的监测等[22,23],成为无损检测方法中一个极其重要的组成部分。但发射源的性质,弹性波在材料内部及边界的传播情况、结构尺寸、变送器(传感器)的特性以及检测仪器的性能都会对检测的结果产生影响。另外,该方法只能在结构受载和动态情况下进行检测,并需要专门的声发射检测仪。
(4)光纤传感检测法
光纤传感检测是属于智能结构的检测控制方法。光纤传感器因具有下列一系列的优点:对电磁干扰不敏感;光纤很细,而对基体材料强度影响很小;频率响应高;能进行数据传输;不腐蚀,可在高低温及有害环境下工作等[24],以及B ragg光栅、Fab ry2 Perog干涉计常常以嵌入式的形式,所以较为广泛地应用于复合材料、混凝土、智能材料结构的健康监测与诊断之中[25～27]。由于机械加工过程常常产生高温,光纤传感器无法嵌入钢结构内部实现嵌入式测量,可将光纤传感器安装于结构表面实现应变测量。另外,通过在简支的工字钢梁表面布置检测器,可成功地实现对结构表面应变的检测[28]。因此,这是未来具有前途的结构损伤监测方法,渴望向微型化发展。
(5)超声波检测方法
超声波检测方法是利用声波从物体结构外部穿入结构内部,不破坏地检测内部状态的无损检测技术。它是通过对接收到的穿过物体的声波进行分析,从而可探测物体结构内有无损伤缺陷。目前该方法大量地应用于静止结构构件的安全性检测,如板、梁、罐、桶等的裂纹检测。该方法通常难以对旋转机械结构进行损伤检测,也不易实施在线自动监测。
(6)视频显微探测方法
光学显微镜常常用来对裂纹的形状及尺寸进行检测,然而传统的检测方法很难实现现场观测。图像处理技术及显微成像技术的发展,使得利用这些技术实现现场监测裂纹形状及尺寸成为可能。文献[29]利用高清晰度CCD照相机获取结构表面的图象,并利用视频分析技术分析裂纹的尺寸,对几十个微米的裂纹进行了检测,检测结果与利用光学显微镜的结果十分吻合。使用之种方法,甚至可以实现低于2um的裂纹的检测,因而该方法是一种检测初始微小裂纹的方法。但这类方法无法检测内部或遮被部位损伤,也受表面光洁度、清洁度等,只适用于关键部位局部检测,大面积检测代价太高。
2.1.2 振动分析检测方法
振动分析法是检测机械结构及其系统装置振动信号是否异常的一种常用检测方法,它有时域法(时域解调分析法,如时域波形分析、时域调制包络分析等[30])、频域法(频谱分析法,如功率谱、细化谱、相干谱和倒频谱法等[31])和时频法(如W igner2V ill分布、短时傅里叶分析、小波变换等[32,33])等。它是非常重要和被广泛采用的一种常用方法。该方法已经成功研制出了包括CRA S(随机振动信号分析系统)在内的许多优秀的软件和硬件系统。对机械结构系统的单一和典型损伤故障,可以得到较好的检测和识别。但是由于复杂机械结构系统是强非线性耦合系统,振动环节较多,振动成份非常复杂,因而时域识别法计算工作量大,抗噪能力差,特别是对用于复杂机械受外界随机干扰强烈的结构系统,该方法的识别精度受到很大影响,难以做出判别。而频域识别法对于一般机械结构系统的损伤与故障也许是可行的,但对于与外界耦合强烈的复杂高速重载结构系
28振 动、测 试 与 诊 断 第23卷 统的损伤故障,由于系统频率成份非常丰富,则难以做出准确的诊断,并且无法实现在线检测与识别。另外,该方法对于突发的裂纹类损伤检测不是非常敏感。但是,基于振动分析的检测方法,使用高频激励源,并根据系统的频率响应函数或传递函数、振动模态等信息来进行损伤检测,一般具有结构全局的诊断能力,但其检测效果易受环境因素的影响。对大型结构进行检测时,常常需要布置大量的传感器。因此,基于人工神经网络和遗传算法等振动分析的优化方法常用来进行传感器的优化配置。
然而,由于裂纹类损伤的高度局部化特性,只有很大的裂纹才能引起结构宏观动力学性能的明显变化。因此,振动分析检测方法对裂纹类损伤的可监测性研究是一个极其重要的发展方向。
2.2 含裂纹机械结构系统的损伤监测与诊断
当机械结构系统含有裂纹时,对结构和系统的寿命具有致命性的损伤。特别是当裂纹达到一定程度时,结构和系统会发生突然的断裂,造成结构的崩溃,导致惨重的事故和重大的经济损失。因此,在机械结构的损伤监测与诊断中,将裂纹类故障作为最重要的损伤进行监测和诊断。
在机械结构系统之中,裂纹类故障常出现于受交变载荷的大型结构、重载传动元件和具有应力集中的支架基础结构。
在过去的几十年当中,国内外许多学者对损伤转子特别是对裂纹转子的研究已经做了许多有价值的研究工作,对于裂纹特性有了基本的了解[34,35]。然而,由于裂纹尤其是开闭裂纹的作用机理极为复杂,至今还没有公认的研究力学模型与规律可循。文献[36]对裂纹转子的动力学特性和损伤检测方法进行了全面地论述,但由于系统的复杂性及非线性特性的影响,用传统的动力学分析方法对于小裂纹难以检测。即使当裂纹尺寸达到30%轴直径时,其动力特性如固有频率、振型等也只有1%～2%的微弱变化,故很难检测到更小的裂纹以及材料的初始裂纹。对于脆性材料中的裂纹,在达到1 3时结构就破坏了,因而振动分析的方法对于转子裂纹类损伤可监性差。用该类诊断方法无法根本解决损伤监测问题。因此,损伤容限和可监测性的概念就显得十分重要,结合损伤容限(三维损伤容限)的融合式全寿命安全保障监测与控制就变得日益重要且具有非常的实际价值。因为结合损伤容限和可监测性,可以针对不同的材料选取不同的诊断与监测方法进行有效地监测,使得诊断与监测真正落到实处且具有实际意义。
在动力传输机械结构系统当中,齿轮系统及其结构也是最重要和最基础的结构系统,它承担着传递动力和变换运动的任务。齿轮系统结构裂纹对系统的性能产生严重的影响。关于它的损伤监测与裂纹的诊断,国内外已开展了几十年的研究并取得了许多研究成果[37,38]。这些研究大多数集中在探讨一种新的辨识诊断方法研究,对齿轮轮齿出现损伤裂纹后的动力特性以及如何采取监测方法去监控识别裂纹等缺陷问题的研究还有待于深入探讨。最近的研究发现,通过声学理论分析,使用声检测的方法来提取齿轮齿根裂纹故障特征,是一种很好的齿轮裂纹监测新方法[39～41]。可以说含裂纹的齿轮系统结构(包括轴、轴承、齿轮、箱体支撑件等)的研究是目前国内外研究的重点和发展方向[42～44]。
含有裂纹的大型结构如板、梁、壳、支架等一直是力学和机械工作者的研究目标,因为它涉及到大型结构如飞机、轮船、公路桥梁、海上平台等工作的可靠性与安全性[45]。目前研究裂纹结构的通用方法是有限元分析法。有限元法的发展较快,现今已有大型商业化软件如AN SYS和ABAQU S等可供使用,对裂纹裂尖应力场进行详细有效的分析模拟。而这种数值模拟分析当中,一直包含着损伤容限设计的思想,根据这种思想(目前已发展为三维损伤容限设计)对裂纹结构进行设计和可监测性分析,以及对大型结构布置多路传感器和应用信息融合的技术进行信息处理、检测、监测和控制,是目前大型结构系统损伤监测的发展方向。
因此,在机械结构损伤监测研究当中,仅用传统的振动分析的方法或单纯采用一种技术是不能解决损伤检测问题的。运用损伤容限设计的思想,特别是三维损伤容限设计的思想和可监测性的概念,建立起知识融合与技术融合的全寿命安全保障监测与控制体系就成为重要的发展方向。
3 结构损伤监测的发展方向
综上所述,按照目前计算机技术、信息技术及现代信号处理新技术的发展趋势和损伤容限与可监测性的思想,可以推测未来机械设备结构损伤监测的发展主要在以下几方面:
(1)疲劳和断裂理论有统一的趋向。这样必须使得疲劳强度设计和损伤容限与耐久性设计相互融合起来,再随着微型化的发展,使得断裂损伤的研究范围有可能涉及到材料的初始微裂纹直到破坏为止
38
第2期 的全过程,结合可监测性的思想,这样断裂损伤的该可靠度检测与监测才可能实现。
(2)随着机械结构向大型、高速、重载方向发展和机电系统向微型化、集成化、智能化方向发展,微机电系统的损伤监测是发展的必然趋势。研究和检测微型机械中的摩擦、磨损、损伤破坏机理,并将其制作成软硬结合的集成系统,以及注入大型系统结构(智能机械结构)之中,进行结构的健康监测与损伤诊断,将是有前途的发展方向。
(3)随着微机电技术、智能监控技术、信息技术与科学的发展,将强度设计理论、三维损伤容限理论、智能测控技术、损伤预示、计算机仿真监控等先进的理论与技术一体化集成起来,建立大型机械结构融合式全寿命安全保障与控制体系已成为可能,这将是结构损伤监测的强有力的知识与技术支撑。
(4)随着通信技术、信息技术及现代信号处理理论与技术的发展,远程损伤与诊断系统将成为未来发展的主流和方向,它是对传统损伤诊断理论与技术的革新与发展。这种智能化系统集成了各地各个领域方面专家的知识进行诊断、检测与监测,是一个庞大的复杂的开放式体系结构的大系统,可以解决对多损伤、多故障、多过程、突发性故障的快速检测、诊断与控制,从而使监测诊断系统具有实时性、在线性和智能化。这种损伤监控系统的建成将达到损伤监测和诊断发展的更高层次。
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第一作者简介:郭万林 男,1960年10月
生,教授、博士生导师。南京航空航天大学
纳米科学研究所所长,西安交通大学教
授、博导。长期从事复杂环境下三维破坏
理论和损伤容限设计、结构强度、机械系
统全寿命设计和安全保障控制体系等研
究。开拓机械全寿命安全保障、微智能测控力学、纳米力学等新领域,做出多项原创性工作。1996年获国家杰出青年基金,1999年被聘为教育部“长江学者”特聘教授。现为国家自然科学基金委学科评审组成员,中国力学学会理事,江苏省力学学会常务理事,计算力学、机械工程学报等5个学报编委。发表论文110篇,被SC I收录50篇,获6项省部级奖,被列入多项省部级以上学术带头人计划。E2m al:w lguo@nuaa.edu.cn
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第2期
Abstracts of Vol .23No .2i n English
A Rev iew and Prospect of Damage D etection i n Structures
Guo W an lin
1,2
S hao R enp ing 1 F eng Q ian 1
(1Schoo l of A ero space ,N an jing U n iversity of A eronau tics and A stronatics N an jing ,210016,Ch ina )
(2X i ’an J iao tong U n iversity ,N ati onal Key L abo rato ry fo r M echan ical Structu re
Strength and V ib rati on X i ’an ,710049,Ch ina )
Abs tra c t Saftety analysis and assess m en t of engineering structu res are generally conducted on the basis of
the analysis of dam age evo lving from p resum ed in itial defects in the m aterials and structu res u sing fatigue o r fractu re m echan ics theo ry .B u t it is difficu lt to en su re the service reliab ility due to the m any uncertain 2ties invo lved in the defects ,loading h isto ry and environm en ts
.Fau lt diagno sis based on structu ral dynam ic p erfo rm ance and o ther p aram eters o r characters m easu red on 2line o r at fields is frequen tly inco rpo rated to en su re actual safety and avo id a catastrop h ic failu re .B u t it is difficu lt to detect po ten tial dangerou s dam age such as crack s in a large p art of the service life .To overcom e the p rob lem s ,a fu si on of dam age to lerance and du rab ility analysis and design ,m odern in telligen t m easu rem en t and con tro l techn iques ,distribu ted digi 2tal 2signals 2p rocessing and advanced on 2line fau lt diagno sis techno logies is necessary .In th is p ap er ,a con 2cep ti on of the detectab ility of a structu ral detective system is p ropo sed based on a review of the advances in related fields .B y the fu si on of the know ledge of dam age to lerance and du rab ility design and assess m en t w ith dam age detecti on and fau lt diagno sis techn iques ,the p robab ility of detectab le dam age and service reli 2ab ility of structu res w ill be increased .F inally ,a p ersp ective of fu rther effo rts at safety assu rance of struc 2tu res is ou tlined .
Ke yw o rds m echan ical structu re dam age detecti on detectab ility dam age to lerance design safety as 2
su rance
Chaos i n Veh icle Suspen sion System w ith Hysteretic Non l i near ity
L i S haohua Y ang S haop u
(In stitu te of V ib rati on and N o ise R esearch ,Sh ijiazhuang R ail w ay In stitu te Sh ijiazhuang ,050043,Ch ina )
Abs tra c t T h is p ap er p resen ts an investigati on of the chao s in a single DO F veh icle su sp en si on system w ith
hysteretic non linearity under road sine excitati on s .T he di m en si on less differen tial equati on of m o ti on of the
system is derived ,in w h ich the hysterectic non linear dam p ing fo rce is m odeled by a series of its disp lace 2m en t and velocity .T he M eln ikov ’s functi on is u sed to get the necessary critical conditi on fo r the chao tic m o ti on in the system .T he effect of non linear dam p ing p aram eters on the chao s is studied num erically .T he ex istence of the chao s in th is system is verified by u sing differen t too ls ,including Po incare m ap ,p hase po r 2
trait ,ti m e h isto ry ,pow er sp ectrum and L yap unov exponen ts
.Ke yw o rds veh icle su sp en si on chao s heteroclin ic o rb it hysteretic non linearity M eln ikov ’s functi on
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41N o .2 A b stract of V o l .23N o .2in English
