基于振动测试的结构损伤识别方法研究

结构损伤可以定义为结构原有形态的破坏，在物理状态空间表现为刚度降低、柔度增大。根据对结构的影响，损伤可以分为线性和非线性损伤［5］。

线性损伤表现为结构在初始状态为线弹性，当发生损伤后仍然保持线弹性的特性。结构模态特性的改变是由结构几何特性或者材料特性的改变而引起的，在线性损伤情况下，结构特性仍然可以通过线性运动方程进行模拟。非线性损伤定义为结构在初始状态为线弹性，当发生损伤后表现出非线性的特性。在振动作用下结构出现的一张一合的疲劳裂缝就是非线性损伤的例子，其他的非线性损伤还有发出咔嗒声的连接松动、聚合体表现出的材料非线性等。目前大多数研究的是线性损伤检测问题。

损伤识别研究可以分为4个层次［6］：①首先探测损伤的存在，即判断结构是否发生了损伤，这是进行结构损伤诊断的基础；②如果结构发生了损伤，则进一步确定损伤发生的位置，这是结构损伤识别的核心，也是难点所在；③建立损伤量化指标，对损伤程度进行标定与评价，这是进行结构完整性评定及实施维修决策的依据；④损伤探测的最终目的，即在得到损伤发生的详细信息基础上，评估损伤对系统结构安全的影响，并预测结构使用寿命，进而采取有效的控制措施。评估结构的剩余使用寿命与断裂力学、疲劳寿命分析、结构设计评定等诸多学科有关，目前国际上损伤识别研究大多集中在前三个损伤识别层次上。

对于不同类型的结构损伤，研究人员提出了多种检测方法，其中包括声学法、染色渗透剂法、电涡流法、光纤维图像分解法、硬度检测法、泄漏检测法、磁粉法、压强真空检测法、脉冲—反射法、射线成像法、超声波法、热学法和X射线法等［7］。这些检测方法可以对结构的外观以及某些局部特性进行检测，检测结果直观，能在一定程度上反映结构的损伤状况。但这些方法大多要求事先知道损伤的大致位置，只能检测结构表面或附近的损伤，而且使用的仪器价格昂贵。另外，很难对结构进行实时在线监测，以全面掌握结构的健康状况；特别是对于一些比较复杂的大型结构，检测其损伤十分困难。这些方法在工程领域的应用受到了限制，发展能够应用到大型复杂结构的整体实时检测方法已成为迫切的要求，在这方面基于结构振动的损伤识别方法具有很大的优势。

基于结构振动的损伤识别的基本思想［8－9］是损伤的出现将引起结构物理特性（如刚度、质量、阻尼等）的变化，进而导致结构动态特性（如固有频率、振型等）的变化。因此，根据结构动态特性变化能够检测结构的损伤。可见，振动损伤检测本质上是一个系统识别问题，是结构动力分析的反问题。

基于振动检测的损伤识别方法有很多特点，主要表现在：

（1）具有非破坏性、方便、快速和廉价等优点，对于大型工程结构，可以利用环境激励引起的结构振动来对损伤进行检测。

（2）振动测试可以在结构处于工作状态下进行，实现实时监测。

（3）易于把传感器安装在结构深处，可以用作振动诊断的信号类型多，量值变化范围大，而且又是多维的。

（4）随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，使得数据采集、数据传输以及数据的实时分析处理技术得到提高，振动测试技术易于实现诊断系统的自动化、小型化和远程化。

因此，基于振动的结构损伤识别方法一直是国际学术界和工程界关注的热点。(www.xing528.com)

自20世纪70年代以来，随着振动测试和分析技术的发展，国际上广泛开展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤诊断和监测的研究，先后多次召开了有关损伤诊断的学术会议，我国科研机构也先后开展了这方面的研究工作，取得了丰硕的科研成果。

但是该方法目前还存在一定的困难，进入实际应用还有很多研究工作要做，主要体现在以下几方面［10］：

（1）为有效进行损伤识别，有必要了解损伤对结构动力特性的影响，如局部损伤对整体结构动力特性的影响、对支撑条件的敏感性等。

（2）复杂工作环境下实际结构存在较多的不确定因素，在实测噪声、环境条件的不确定性等影响下结构的动力特性测量精度偏低。

（3）振动特征参数对结构损伤的识别灵敏度较低，尚未找到对损伤位置和程度均特别敏感的有效特征参数。

（4）在模型误差、测量数据的不完整、局部损伤的不敏感性等因素的影响下，基于结构振动的损伤识别精度还需要进一步提高。

（5）目前的研究大多是在梁、板等简单结构上进行的，对于拥有上百万个自由度而试验测点只有几百个的大型复杂结构，损伤识别需要进行的计算量很大。

（6）基于结构振动的损伤识别方法往往要求提供结构的早期信息。

因此，基于振动检测的损伤识别方法是一种有着良好前景而又还未成熟的方法，必须进行更深入的研究。