结构损伤监测技术的研究与发展

摘要：简要介绍了结构损伤研究的意义以及基本监测思路。对目前在结构领域中应用较为广泛的几种识别方法与检测技术进行了综述，论述它们用于结构损伤检测的基本工作原理,指出在应用过程中存在的一些问题。最后展望了结构损伤监测的发展前景,并指出结构损伤检测的长远发展趋势是实现结构健康监测技术和智能结构的监测。

关键词：结构损伤监测，识别，健康检测，多类型传感器，不适定性

    结构损伤在物理意义上表现为刚度下降，柔度增大；在模态意义上表现为原有各阶固有频率降低，阻尼比增大，模态振型发生变化。由此结构损伤定义为：结构原来形态(结构)的破坏。结构的损伤一般首先表现为结构裂纹的出现和扩展。结构损伤的存在，在某种程度上决定着结构的可靠性和安全性。这一点对于大型复杂结构尤其重要。初始微小裂纹一般是不易被发现和觉察的，但裂纹扩展造成的恶劣后果往往导致重大灾难性事故的发生，如航空失事、交通桥梁突然坍塌、海事轮船平台翻沉等，造成大量人员伤亡和重大财产经济损失。对结构是否产生损伤、损伤的位置、损伤的程度进行及时诊断和评估，从而维持结构的正常使用显得尤为重要。在结构损伤诊断中，寻找敏感的诊断因子是诊断的关键环节，它决定了结构损伤诊断的成败和诊断方法的诊断能力。

    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，进行有效地处理，如自修复、控制和更换零部件等。

一、结构损伤指标

    目前,世界上很多国家的工程师都面临着许多结构加固和修复的难题。现役结构大多采用的是早期抗震设计标准,服务一定年限后其承载能力有所下降。将所有结构的能力都提升到现在的标准所需要的花费是巨大而不可能实现的,所以需要有一个指标来帮助做出决策。

    损伤指标可定义为单个单元的局部损伤和整个结构的整体损伤。大多数局部损伤指标在本质上是累积性的,反映出损伤与幅值、荷载循环次数的相互关系。    基于可见的损伤,很多学者尝试用简单的分类方法将损伤指标与可见损伤结合起来。例如,Park,Ang和Wen提出的损伤分类方法(表1)。

　表1.损伤的分类

    还有一种损伤分类方法是将损伤与结构的可修复性联系在一起。Stone, Taylor和Bracci使用如下的分类方法:①无损伤或轻微损伤;②可修复;③不可修复;④倒塌。

    总的来说，局部损伤指标有：非累计损伤指标，基于变形的累积损伤指标，基于能量累积的损伤指标，混合指标。它们的缺点是对不同的结构类型需要调整系数,并且对不同的损伤程度缺乏校准。结构的整体损伤状态依赖于局部损伤的程度和分布。因此,整体损伤指标既可以通过结构局部指标的组合形成,也可以考虑用结构的一些整体特征来表示,通常是采用模态参数。由局部损伤指标形成整体损伤指标需要使用一套恰当的权系数,但权系数的选取仍然存在着一定的主观性。加权平均指标可能会产生与局部指标同样的问题。模态指标变化复杂,它可以检测出相对较小的损伤,但需要精确定出多阶模态的振型。损伤指标的发展和应用现在主要集中在弯曲破坏的构件中。整体软化指标能够描述结构整体的损伤状态,但是不能给出损伤的分布情况。

二、结构损伤监测的技术研究

    对结构损伤状况进行有效地识别,是保障结构安全的首要基础性工作。

    结构损伤识别方法可分为两大类:基于静力和动力响应的方法.由于静力试验的方便性和精确性,静力方法应用很广泛.结构的静力平衡方程主要与刚度特性有关,而损伤识别主要的工作就是识别局部刚度变化,因此最自然、直接的识别指标就是静力位移.

    下面介绍几个对于特殊问题的损伤监测研究：

（1）不适定性问题

    损伤识别是一类典型的反问题.当前各类反问题研究中都面临一个突出障碍,就是不适定性.适定性的概念是Hadamard 1923年首先提出的.解的存在性、唯一性和稳定性都得到满足时,称此问题是适定的.这三要素中只要有一个不满足,则称此问题为不适定的.对损伤识别问题来说,由于噪声干扰等因素的存在,所测得的原始资料(位移、频率、振型等)指标值都只是带有误差的近似值,而且很多情况下基准状态的信息也不完全,损伤演变的机制和模型也是不完全符合实际情况的,这样自然就造成损伤识别的结果不能达到存在性、唯一性和稳定性的完全满足,出现不适定问题(损伤可能识别不出来;对应有多种损伤情况、不能唯一确定;识别结果不抗噪、不可信).所以对不适定性的处理,是结构损伤识别研究中的难点和重点.

    目前有很多的自动监测技术和人工检测设备可直接获取这些损伤的信息,比如对构件变形状况可采用光电成像法、摄影测量法等获取;对疲劳状况可采用疲劳探测仪、声发射技术等;对裂缝可采用测缝计、分布式光纤传感器等;对材料的损伤状况可采用X光、CT、超声波等.因此对于损伤识别问题,不一定要完全通过理论计算的方式来解决.以上这些具体的设备和手段完全可以利用起来,提供所需要的补充信息,配合计算手段来共同达到损伤识别的目的,并较好的处理其中的不适定性.具体来说,可以利用这些技术和设备来获取损伤的出现和位置信息,然后寻求合适的理论方法来定量计算损伤的程度.这样,前者主要解决损伤反演中的存在性和唯一性问题,后者主要解决求解的稳定性问题,二者共同结合起来以显著改善不适定性.

（2）无损健康监测

    静态检测方法有射线检测法、超声波检测法、声发射检测法、雷达波检测法、红外检测法等。而动态检测方法主要是基于结构振动的损伤识别方法.

    结构健康监测具有众多的优势能够弥补传统检技术的缺陷:①能够实时监测和预报,节约损伤探测维护费用;②客观的历史记录数据减少了人为因素,而减少了主观误差和停工时间;③自动化测量,保障测量的可靠性;④停工减少与可靠性增加,保障了工结构高的运营效率,大大降低了运营费用。因此可预见,结构损伤检测的发展趋势就是实现真正意义的结构健康监测技术。

    但是局部无损检测方法在应用上有很多共同局限:①是要求事先知道损伤的近似位置损伤的结构可以接近;②是结构的一些部位难以到达,对于一些大型结构特别是比较复杂的大型结构检测其损伤是不可能的;③是这类方法是定期的人工检测方法,要求结构的一些功能再检测期停止使用或工作,造成一定的经济损失;④是不能及时发现间隔期内损伤;⑤是不能对结构实施实时、在线、连续的监测。

相对于局部无损检测方法而言,动态检测方法能够检测一些较大形体的复杂结构及其构件。但对结构损伤的识别灵敏度过低。

（3）多类型传感器的结构损伤识别

　　损伤识别是结构健康监测的重要研究内容之一,其分析数据主要来自于各种类型传感器获取的结构响应信息.在结构健康监测系统中应用较多的传感器类型是加速度传感器和应变传感器.通过加速度传感器信息可以得到结构的动力特性参数,如频率、振型和阻尼比等,这些参数受到结构刚度和质量等物理参数的直接影响,因此,结构动力特性参数的计算与监测从理论上可以识别结构损伤的位置和程度.文献对结构损伤前后的模态振型损伤识别方法和运用结构自振频率的损伤识别方法进行了研究.然而,基于结构动力特性参数的损伤识别方法在应用到大型结构上存在问题,一方面,结构动力特性参数反映结构整体特性,对结构局部损伤反映不敏感;另一方面,结构动力特性参数易受温度、湿度等环境因素的影响.通过应变传感器获取的应变实测值是结构健康监测最常见的反映局部特性的结构响应数据,文献分析了某桥梁长期结构健康监测运用应变数据确定结构服役行为是否有较大变化进而判断主梁和混凝土桥面板的主要损伤.基于应变实测值的损伤识别方法研究少于基于动力特性参数的损伤识别方法,这种方法最大的难点在于如何获取未布置应变传感器位置的应变值,然而,这种方法相对基于结构动力特性的损伤识别方法具有信噪比高及对结构局部损伤反映敏感的特点.加速度传感器和应变传感器采集的数据分别反映了结构整体特性和结构局部特性,在结构损伤识别上分别具有优缺点,而数据融合方法是可以对多源传感器信息进行融合并得到综合结果的有效方法.

（4）智能结构的损伤监测

    智能结构是材料工程、力学、自动控制、生物学、计算机科学与技术和机电工程等多学科相互交叉、渗透与融合的结果。它将传感元件、驱动元件和控制系统集成在基体材料中，它具有感知外界和/或内部状态与特性的变化的能力，并能根据变化的具体特征对引起变化的原因进行辨识，从而采取相应的控制策略来做出合理的响应。该结构具有检测(应变、损伤、温度、压力等多种物理量)、通信(数据传输)、动作(改变结构外形和结构应力分布、改变电磁场及光学反射能力、数字选择能力)等功能。其中，实现损伤自监测功能是智能结构研究的重要内容之一，而多传感器技术是智能结构实现损伤自监测功能的关键技术，对其进行研究具有重要的意义。

    智能结构是一个多传感器体系结构，如何通过不同传感器所采集的信号来实现对结构进行损伤自监测，这涉及到信号处理的问题。智能结构损伤监测多传感器体系及其信号处理如图1所示。信号处理的有关环节为:信号预处理、特征提取与选择、模式识别、数据与信息融合、传感器优化配置等。

智能结构损伤监测多传感器体系及其信号处理

三、结构损伤监测的发展方向

    综上所述，按照目前计算机技术、信息技术及现信号处理新技术的发展趋势和损伤容限与可监测的思想，可以推测未来机械设备结构损伤监测的展主要在以下几方面：

(1)疲劳和断裂理论有统一的趋向。这样必须得疲劳强度设计和损伤容限与耐久性设计相互融起来，再随着微型化的发展，使得断裂损伤的研究围有可能涉及到材料的初始微裂纹直到破坏为止的全过程，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论与技术的发展，远程损伤与诊断系统将成为未发展的主流和方向，它是对传统损伤诊断理论与术的革新与发展。这种智能化系统集成了各地各领域方面专家的知识进行诊断、检测与监测，是一庞大的复杂的开放式体系结构的大系统，可以解对多损伤、多故障、多过程、突发性故障的快速检、诊断与控制，从而使监测诊断系统具有实时性线性和智能化。这种损伤监控系统的建成将达到伤监测和诊断发展的更高层次。

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