淺談結(jié)構(gòu)工程上健康監(jiān)測(cè)的幾種常用方法

1、淺談結(jié)構(gòu)工程上健康監(jiān)測(cè)的幾種常用方法    關(guān)鍵詞： 健康監(jiān)測(cè);損傷檢測(cè);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法;遺傳算法； 論文代寫(xiě)網(wǎng)引舀上木下程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性分析包括結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的一此變化。理想的健康監(jiān)測(cè)與損傷檢測(cè)方法應(yīng)能在結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)的較旱時(shí)期發(fā)現(xiàn)損傷，在傳感器精度允許的情況卜確定損傷的位置，估計(jì)損傷的程度，少手預(yù)測(cè)出結(jié)構(gòu)的剩余有效壽命。另外此方法應(yīng)該具備的另一重要性能，是能夠區(qū)分結(jié)構(gòu)建模誤差引起的偏差還是結(jié)構(gòu)損傷引起的偏差。一般結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由四個(gè)功能子系統(tǒng)組成井通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系進(jìn)行下作，這四個(gè)子系統(tǒng)

2、是傳感系統(tǒng)、信寫(xiě)采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)施（見(jiàn)圖損傷檢測(cè)方法可分為局部法和整體法。局部法依靠無(wú)損檢測(cè)對(duì)特定構(gòu)件進(jìn)行精確的檢測(cè)、查找，描繪缺陷的部位；而整體法利用結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試信息，評(píng)價(jià)整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，可以間斷或連續(xù)地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的健康，確定損傷存在的可疑區(qū)域局部檢測(cè)方法需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)損傷的大體位置，少手且要求檢測(cè)儀器能夠到達(dá)損傷區(qū)域，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，無(wú)法給出整體結(jié)構(gòu)的損傷信息。在大型上木結(jié)構(gòu)下程的健康監(jiān)測(cè)中多綜合利用局部法和整體法。局部損傷檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)的局部損傷一般使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)i_有日測(cè)法、回彈法、染色法、光譜法、滲漏試驗(yàn)法、聲發(fā)射法、射線法、超1結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法結(jié)構(gòu)的

3、損傷檢測(cè)主要包括4個(gè)層次：結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷；對(duì)損傷的定位；對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷影響及剩余壽命進(jìn)行估計(jì)。日BU關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的第一層次的研究已經(jīng)成熱，而關(guān)于損傷定位與損傷識(shí)別人小方而的研究是核心也是難點(diǎn)、聲波探測(cè)、脈沖回波法、紅外線法、熱相儀成像法、透地雷達(dá)法以及磁泄漏、磁粒子法、磁擾動(dòng)法、渦流法等等。絕大多數(shù)技術(shù)成功地應(yīng)用于檢查一定部件的裂縫位置、焊接缺陷、腐蝕磨損、松弛或失穩(wěn)等，實(shí)際檢測(cè)中經(jīng)常幾種技術(shù)聯(lián)合使用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。整體損傷檢測(cè)方法1.2.1基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于振動(dòng)理論的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)方法iji就是通過(guò)某種激勵(lì)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)，繼而通過(guò)測(cè)振儀器自接

4、測(cè)出激勵(lì)力與系統(tǒng)振動(dòng)的響應(yīng)特性，如位移、速度、加速度等函數(shù)的時(shí)間歷程，然后通過(guò)數(shù)字信寫(xiě)分析得到系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，再根抓結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化判斷有無(wú)隱患和損傷。其基木原理可以如卜簡(jiǎn)單分析對(duì)于有N個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)一x+l一x）+IK一其中矩陣fMl,fcl,fIl分別表示離散的質(zhì)m= , Is尼和剛度分布，引，3x，分別表示結(jié)構(gòu)的加速度向m:、速度向m:和位移向m=,f（t）為外部激勵(lì)。若忽略阻尼，則其特征方程為一。：IM.）。，=。其中。L是第i階特征伯，電是相應(yīng)的特征向錄。撤然，電是Ml和I的函數(shù)，也就是說(shuō)，由于結(jié)構(gòu)中特定部分的質(zhì)或剛度損失引起的Ml , fIl的仃何變化，都將在自振頻率和振型的

5、測(cè)m:伯中有所反映。即由于結(jié)構(gòu)中特定部分的質(zhì)m:和剛度損失而引起的模態(tài)參數(shù)變化，都將在模態(tài)測(cè)m:中有所反映。當(dāng)系統(tǒng)的模態(tài)測(cè)m:伯與未存在隱患的系統(tǒng)模態(tài)伯之間出現(xiàn)了差異時(shí)，就表示出現(xiàn)了損傷或破損，進(jìn)而可以確定損傷的位置及程度?；谡駝?dòng)理論的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法按照識(shí)別區(qū)域可以分為時(shí)域法和頻域法；從研究和應(yīng)用的角度可以分為模Jt!J修正法和動(dòng)力指紋分析法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可將外界因索作為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)源，損傷的檢測(cè)不影響結(jié)構(gòu)的正常使用；需要的模態(tài)信息少，無(wú)需質(zhì)m:歸一化的振Jt!J，也不需要結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的測(cè)試信息i;i但是由于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的檢測(cè)精度不足，導(dǎo)致該方法的精度不高。基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法統(tǒng)計(jì)模

6、式識(shí)別基木原理i5i簡(jiǎn)單分析如卜：有相似性的樣木在模式空間中互相接近，JI=形成“集團(tuán)”，即“物以類聚”，其分析方法是根抓模式所測(cè)得的特征向錄X，=XU>Xz>   >X川，將一個(gè)給定的模式歸入C個(gè)類。>w=>.，。中，然后根抓模式之間的距離函數(shù)來(lái)判別分類。其中，T表示轉(zhuǎn)置；N為樣木點(diǎn)數(shù)；d為樣木特征數(shù)它的優(yōu)點(diǎn)是自接利用時(shí)程觀測(cè)響應(yīng)，考慮環(huán)境因索和運(yùn)行狀態(tài)的變化，在無(wú)需結(jié)構(gòu)模型的BU提卜，通過(guò)對(duì)觀測(cè)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析提取結(jié)構(gòu)狀態(tài)/損傷敏感特征來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)退化或損傷叫利用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)或損傷，其狀態(tài)/損傷敏感特征的提取一般來(lái)自于能夠表

7、征結(jié)構(gòu)狀態(tài)的模式向，而這此模式向m:的生成則來(lái)自于統(tǒng)計(jì)模Jt!J（回歸模Jt!J、自回歸模lt!J、外源自回歸模lt!J等）對(duì)觀測(cè)數(shù)抓（特征信寫(xiě)）的統(tǒng)計(jì)分析。狀態(tài)/損傷敏感特征通常是多維向m:，多維向m:中各參數(shù)的重要性往往是不相同的，且各參數(shù)也不相互獨(dú)立，不但會(huì)使檢測(cè)的下作m:增大，而且也給檢測(cè)帶來(lái)了困難。川此，需要通過(guò)數(shù)抓降維的方法從中挑選具有代表性的有效的成分構(gòu)成新的低維特征向m:進(jìn)行檢測(cè)。狀態(tài)/損傷敏感特征一日提取，檢測(cè)結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)的主要仃務(wù)就是對(duì)這此特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依抓某種判別函數(shù)或判別依抓進(jìn)行狀態(tài)分類。根抓所使用基木統(tǒng)計(jì)推斷原理的不同，結(jié)構(gòu)健康診斷中的統(tǒng)計(jì)模式的識(shí)別方法可以歸納為

8、兩大類：Baves模型修正法和隨機(jī)有限元模型修正法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法iii是由大錄神經(jīng)元之間通過(guò)連接權(quán)系數(shù)相連而形成一個(gè)完整結(jié)構(gòu)。其用于損傷檢測(cè)的基木原理是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正問(wèn)題分析，獲得結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)卜的動(dòng)力特從而構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣木集，然后將樣木集送人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立輸入?yún)?shù)與損傷狀態(tài)之間的映射關(guān)系，得到用于結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將待檢測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)輸入網(wǎng)絡(luò)，就可得出損傷信息。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，信息處理是通過(guò)神經(jīng)元之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只是信息的存儲(chǔ)表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連問(wèn)分布式的物理聯(lián)系。學(xué)習(xí)與檢測(cè)取決于神經(jīng)元與連接的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性、魯棒性、聯(lián)想記憶功能以

9、及非線性性能，因而在控制、優(yōu)化、檢測(cè)等領(lǐng)域被）泛應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不儀適用于線性系統(tǒng)，尤其適用于非線性系統(tǒng)，它比模態(tài)修正法及信寫(xiě)處理法的適應(yīng)性更強(qiáng)，其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是處理環(huán)境振動(dòng)的能力很強(qiáng)，省略了激振設(shè)備，更容易應(yīng)用于下程實(shí)際中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型多種多樣，可從不同角度對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行不同層次的描述和模擬，缺點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有感知器、多層映射BP網(wǎng)絡(luò)，RBF網(wǎng)絡(luò)、雙向聯(lián)想記憶模型等。運(yùn)用這此網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)遍近、數(shù)抓聚類、模式分類、優(yōu)化計(jì)算等功能遺傳算法遺傳算法是一種基于自然遺傳和自然選擇機(jī)理尋優(yōu)的方法，它模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種

10、通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法，它最初由美Michigan大學(xué)J.Holland教授，于1975年肖先提出來(lái)。由于損傷識(shí)別可歸結(jié)為參數(shù)識(shí)別問(wèn)題，因此通常采用最優(yōu)化方法確定與實(shí)測(cè)數(shù)抓最匹配的參數(shù)。遺傳算法是優(yōu)化方法的一種將其引入損傷評(píng)估的最優(yōu)化方法中，在測(cè)試獲取信息不多的情況卜，能迅速判定損傷位置和程度，即使模態(tài)信息部分去失時(shí)，遺傳算法尋優(yōu)能力妊毫不受影響。遺傳算法只需計(jì)算各可行解的日d伯而不要求日d函數(shù)的連續(xù)性，也不要求可微，不需要梯度信息，JI=采取多線索的井行搜索方式而且它的搜索始終遍及整個(gè)解空間，因而不會(huì)陷入局部最小，容易得到全局最優(yōu)解，對(duì)線性問(wèn)題和非線性問(wèn)題同樣有效，且使用方便，

11、魯棒性強(qiáng)川該方法的不足之處，沒(méi)有能夠及時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)的反饋信息，故算法的搜索速度比較慢，要得要較精確的解需要較多的訓(xùn)練時(shí)間；對(duì)初始種群的選擇有一定的依賴性，能夠結(jié)合啟發(fā)算法進(jìn)行改進(jìn)；少I'行機(jī)制的潛在能力沒(méi)有得到充分的利用，這也是當(dāng)BU遺傳算法的一個(gè)研究熱點(diǎn)方向。新型結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)光纖傳感檢測(cè)技術(shù)光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信寫(xiě)（被測(cè)m:）的新Jt!J傳感技術(shù)。光纖傳感包含對(duì)外界信寫(xiě)（被測(cè)m:）的感知和傳輸兩種功能。所謂感知（或敏感）是指外界信寫(xiě)按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄:，如強(qiáng)度（功率）、

12、波長(zhǎng)、頻率、相位和偏振態(tài)等發(fā)生變化，測(cè)m:光參m:的變化即“感知”外界信寫(xiě)的變化。這種“感知”實(shí)質(zhì)上是外界信寫(xiě)在光纖中傳播的光波實(shí)施調(diào)制。所謂傳輸是指光纖將受外界信寫(xiě)調(diào)制的光波傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，將外界信寫(xiě)從光波中提取出來(lái)井按需要進(jìn)行數(shù)抓處理，也就是解調(diào)。因此，光纖傳感技術(shù)包括調(diào)制與解調(diào)兩方而的技術(shù)。上木下程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為光纖傳感器應(yīng)用的最話躍領(lǐng)域，其中光纖光柵傳感器被應(yīng)用的較多。結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)m:對(duì)橋梁、隧道、大壩和高層建筑等下程的維護(hù)至關(guān)重要。通過(guò)測(cè)m:建筑物的應(yīng)變分布，可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)。光纖光柵傳感器既可貼在已有結(jié)構(gòu)的表而，也可以在澆筑時(shí)埋入結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)測(cè)m:

13、 ,監(jiān)視結(jié)構(gòu)缺陷的形成和生長(zhǎng)。另外，多個(gè)光纖光柵傳感器可以串接成傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，傳感信寫(xiě)可遠(yuǎn)程接入中心監(jiān)控室進(jìn)行分析、處理。因此，在上木下程中，光纖傳感器已商品化，成為了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重要手川壓電智能傳感檢測(cè)技術(shù)壓電材料'2是上木下程中常見(jiàn)的智能材料的一種。壓電材料是指當(dāng)某此物質(zhì)沿其某一方向施加壓力或拉力時(shí)，其兩個(gè)對(duì)立的表而上會(huì)產(chǎn)生符寫(xiě)相反的等m:電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱之為“正壓電效應(yīng)”。反之，在某此物質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，該物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失，這種電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱之為“逆壓電效應(yīng)”。具

14、有明H4V壓電效應(yīng)的材料稱之為壓電材料?；趬弘娭悄懿牧系慕Y(jié)構(gòu)損傷診斷與健康監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)的不足，不但能夠靈敏地檢測(cè)到損傷的產(chǎn)生，而且能夠定位損傷井表征損傷程度。損傷診斷過(guò)程可以歸納為：信寫(xiě)測(cè)m:;提取特征信寫(xiě)；建立典lt!J損傷特征庫(kù)；檢測(cè)損傷位置、類1=J ,程度。從而對(duì)關(guān)鍵或重要結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截而進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)，盡旱探測(cè)或監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)中存在的細(xì)微損傷'壓電智能傳感系統(tǒng)：壓電傳感器按照一定的方式女裝到結(jié)構(gòu)上，對(duì)所測(cè)得的電信寫(xiě)進(jìn)行分析，從而獲得結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的各種信息，達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷、監(jiān)測(cè)和評(píng)估的日的（即形成智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），使結(jié)構(gòu)成為具有自感知、自診斷的智能結(jié)構(gòu)對(duì)于上木下程

15、而言，壓電智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)的興起不儀意味著結(jié)構(gòu)功能的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)使用效率的提高和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的優(yōu)化，更重要的是對(duì)傳統(tǒng)上木下程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)、使用及控制等許多觀念的更新。缺點(diǎn)是由于一此常用的壓電材料易出現(xiàn)損壞，例如壓電陶瓷屬于脆性材料，在上木下程結(jié)構(gòu)施下中容易損壞，而且壓電傳感器的金屬封裝也存在腐蝕問(wèn)題結(jié)束語(yǔ)日BU上木下程損傷檢測(cè)的研究動(dòng)態(tài)來(lái)看該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向上有比較重要的意義和迫切性大Jt!J復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各種非線性因索，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和診斷方而具有良好的應(yīng)用景；小波分析具有刻畫(huà)信寫(xiě)局部特征的“數(shù)學(xué)H4V微鏡”功能，在數(shù)抓的處理方而具有非常明H4V的優(yōu)勢(shì)。發(fā)展更可靠的損傷判別指標(biāo)，該指標(biāo)不會(huì)發(fā)生誤判及漏判。研究試驗(yàn)參數(shù)變化、環(huán)境參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的影響。不依賴外部激勵(lì)源的損傷檢測(cè)的研究。尋求通用的損傷m:化指d。在基于振動(dòng)的故障診斷和預(yù)測(cè)中，要求不論信寫(xiě)