數(shù)字圖像技術(shù)在三等跨連續(xù)梁振動(dòng)分析中的運(yùn)用

董湘婉, 袁向榮, 任張晨, 徐旻杰, 劉 輝

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

橋梁檢測(cè)是關(guān)系著正確的評(píng)價(jià)橋梁的運(yùn)行情況和通行能力的準(zhǔn)確性的重要基礎(chǔ)工作[1]。基于固有頻率等方法的損傷識(shí)別是橋梁健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2],而且在剛度一定的結(jié)構(gòu)中，固有頻率隨損傷的增加而減小[3],因此周期性對(duì)橋梁固有頻率的檢測(cè)十分重要。然而,目前大部分測(cè)量方法都是基于傳統(tǒng)方法上的研究，即通過(guò)傳感器獲取橋梁振動(dòng)信號(hào)，例如由車輛響應(yīng)識(shí)別橋梁固有頻率[4]等。但由于傳感器是高靈敏度儀器，易受外界噪聲振動(dòng)等干擾，影響檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行測(cè)試[5]，利用相關(guān)邊緣檢測(cè)算子[6]，例如Laplace算子、Canny算子[7-8]、Sobel算子等進(jìn)行邊緣檢測(cè)，利用邊緣的位移時(shí)程計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)頻率。本文采用Canny算子進(jìn)行運(yùn)算。

1 三等跨連續(xù)梁實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為三等跨等截面連續(xù)槽型梁模型，梁長(zhǎng)5.4 m，橋跨布置為3×1.8 m，共設(shè)4個(gè)支座，編號(hào)為1～4，使用鋼輥軸支座約束梁的豎向位移，其中支座1用砝碼加重形成固定支座。截面尺寸如圖1所示。

圖1 截面尺寸圖(mm)

材料參數(shù)取值：彈性模量E=70 GPa，線膨脹系數(shù)1.2×10-5℃-1，泊松比v=0.3，容重Dens=28 kN/m3。

2 有限元模態(tài)分析

2.1 建立有限元模型

通過(guò)有限元軟件建立三等跨5.4 m梁模型，將梁劃分為36個(gè)單元，輸入上述材料參數(shù)取值，然后進(jìn)行邊界條件處理，對(duì)支座1約束其x、y、z方向上的位移，對(duì)支座2、3、4僅約束z方向上的位移，選用子空間迭代法進(jìn)行模態(tài)分析，最后運(yùn)行分析得到各階固有頻率及振型圖。模型圖如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述有限元模態(tài)分析[9-10]后，可以得到該連續(xù)梁的前3階固有頻率分別為2.840,3.639,5.311 Hz。前3階振型圖如圖3所示。

3 傳統(tǒng)檢測(cè)方法的模態(tài)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 9個(gè)BI1148型壓電加速度傳感器[11]，置于梁上，拾取梁的振動(dòng)加速度信號(hào)，并傳遞給信號(hào)采集儀。

(2) INV3060V2智能信號(hào)采集處理分析儀，采集梁的振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖3 連續(xù)梁前3階理論振型

(3) 筆記本電腦和DASP V10智能分析軟件[12]將采集到的梁的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、分析和處理。

3.2 傳統(tǒng)方法實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了盡量減少測(cè)量誤差，先將9個(gè)傳感器進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定，采用錘擊法[13]錘擊梁,將所有傳感器進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定，然后再錘擊梁使采集儀采集一段梁的振動(dòng)信號(hào)并導(dǎo)入DASP軟件中，從而得到各點(diǎn)頻響函數(shù)。對(duì)頻響函數(shù)進(jìn)行集總平均，選擇合適的頻率進(jìn)行定階，再利用實(shí)模態(tài)多自由度擬合，便可得到前3階固有頻率與振型圖[14]。

3.3 傳統(tǒng)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前3階固有頻率如下:2.911,3.782,5.550 Hz,振型圖見(jiàn)圖4。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖4 傳統(tǒng)檢測(cè)法實(shí)測(cè)的前3階振型圖

4 視頻圖像法

4.1 圖像法實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了保持實(shí)驗(yàn)一致，將上述實(shí)驗(yàn)中的傳感器置于試驗(yàn)梁的相同位置。錘擊梁上一點(diǎn)，使用視頻錄制設(shè)備錄制梁的振動(dòng)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，運(yùn)行Matlab將視頻按其幀數(shù)截成多幅圖片。截取感興趣區(qū)域(梁的主要區(qū)域)，將彩色圖片轉(zhuǎn)為灰度圖像，繼而取合適的閾值將其轉(zhuǎn)為二值圖像。由于一共分解到1 000多幀的序列圖，一一轉(zhuǎn)化得到對(duì)應(yīng)的二值圖，但是各連續(xù)序列之間展現(xiàn)出來(lái)的梁邊緣的位置變化肉眼比較難區(qū)分，所以取了其中1幀的二值圖像進(jìn)行展示，如圖5所示。再運(yùn)用多項(xiàng)式擬合其亞像素邊緣，由于邊緣處灰度變化最大，則多項(xiàng)式導(dǎo)數(shù)為最大值的點(diǎn)即邊緣處位置。這樣得到的亞像素[15]級(jí)別的圖像比整像素的更為精確。利用循環(huán)語(yǔ)句對(duì)每張圖進(jìn)行上述操作，即可得到各時(shí)刻梁邊緣各點(diǎn)位置，將傳感器所在位置的時(shí)間歷程提取出并導(dǎo)入分析軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，便可得到該梁的前3階振型圖及頻率。這也體現(xiàn)出了視屏圖像運(yùn)用于橋梁檢測(cè)中的更為精確，測(cè)點(diǎn)更多等優(yōu)勢(shì)。

圖5 試驗(yàn)梁的二值圖像

4.2 圖像檢測(cè)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖像法檢測(cè)到的前3階頻率如下:2.880,3.625,5.233 Hz。前3階振型見(jiàn)圖6。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖6 圖像法檢測(cè)的前3階振型圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差對(duì)比

通過(guò)上述3種方法分別都得到了梁的振型圖及頻率，下面以通過(guò)有限元軟件建模得到的結(jié)果為基準(zhǔn)，比較傳統(tǒng)檢測(cè)方法和視頻圖像法的誤差大小，見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)檢測(cè)實(shí)測(cè)各階頻率

6 結(jié) 論

通過(guò)上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，可得到以下結(jié)論：

(1) 從兩種方法的結(jié)果誤差對(duì)比可以看出,圖像法測(cè)量梁的前3階固有自振頻率更接近理論計(jì)算結(jié)果，第2階甚至只有0.4%的誤差。

(2) 由于圖像法不需要傳感器，即除去了傳感器本身的測(cè)量誤差，以及傳感器與橋面接觸碰撞產(chǎn)生的誤差，視頻錄制設(shè)備本身不易受周圍環(huán)境影響，不像傳感器由于靈敏度非常高，容易受噪音、風(fēng)等影響。因此相比傳統(tǒng)檢測(cè)法來(lái)說(shuō)要精確的多。

(3) 在實(shí)際應(yīng)用中，圖像法更加方便靈活，現(xiàn)場(chǎng)只需攜帶視頻錄制設(shè)備，如手機(jī)、相機(jī)等即可隨時(shí)隨地進(jìn)行錄制，然后導(dǎo)入筆記本電腦便可得到測(cè)量結(jié)果，擁有方便、快捷、易攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 宋占昌. 橋梁固有頻率測(cè)量與分析[J]. 信息與電腦(理論版),2013(8):180-181.

[2] 王 研. 基于固有頻率變化的橋梁損傷識(shí)別[D]. 南昌: 華東交通大學(xué),2012.

[3] 尚 鑫. 基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁損傷識(shí)別研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué),2014.

[4] 王 希. 由車輛響應(yīng)識(shí)別橋梁固有頻率的方法研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué),2009.

[5] 袁向榮. 邊緣識(shí)別的正交多項(xiàng)式擬合及梁變形檢測(cè)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(10):11-13.

[6] 趙 芳,欒曉明,孫 越. 數(shù)字圖像幾種邊緣檢測(cè)算子檢測(cè)比較分析[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(3):48-50.

[7] 周 超. 邊緣檢測(cè)Canny算子的研究與改進(jìn)[D]. 重慶: 重慶師范大學(xué),2012.

[8] 林 卉,趙長(zhǎng)勝,舒 寧. 基于Canny算子的邊緣檢測(cè)及評(píng)價(jià)[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,17(6):3-6,16.

[9] 梁 君,趙登峰. 模態(tài)分析方法綜述[J]. 現(xiàn)代制造工程,2006(8):139-141.

[10] 龍 英,滕召金,趙福水. 有限元模態(tài)分析現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 湖南農(nóng)機(jī),2009,36(4):27-28,45.

[11] 陳至坤,逄 鵬,王福斌,等. 基于壓電加速度傳感器的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014(12):3923-3925.

[12] 徐文峰,袁向榮. DASP系統(tǒng)在連續(xù)梁模態(tài)分析中的應(yīng)用[J]. 工程與試驗(yàn),2012,51(4):58-59.

[13] 劉 軍,高建立,穆桂脂,等. 改進(jìn)錘擊法試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)的研究[J]. 振動(dòng)與沖擊,2009,28(3):174-177.

[14] 吳 晶,袁向榮. 兩等跨連續(xù)梁的模態(tài)分析試驗(yàn)[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,13(1):1-2,26.

[15] 張美靜. 亞像素邊緣檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)理工大學(xué),2013.