基于機電阻抗技術的結構損傷識別方法研究

楊茂

【摘 要】隨著國內社會經濟的迅速發展，各種大型復雜工程結構不斷涌現，日益向大型化、復雜化和智能化方向發展。這些重要工程結構的安全監測和損傷識別越來越受到學術界和工程界的重視。壓電智能材料的成功應用，為基于機電阻抗法的結構損傷識別技術的發展提供了機遇。機電阻抗技術集激勵和傳感于一體，具有主動自感知的優良特性，屬于高頻局部損傷探測技術的范疇，對結構早期微小損傷非常敏感，并且可以隔離環境或遠程荷載，適合結構在線監測。近年來，機電阻抗技術在航空航天、機械工程和土木工程等領域逐漸得到應用。但是，機電阻抗技術在阻抗建模、數據分析以及損傷識別等方面仍然存在很多挑戰。

【關鍵詞】機電阻抗；結構損傷；識別方法

引言

隨著國內經濟的不斷發展，城市建設速度的不斷加快，社會需求的日益提高，各種大型復雜工程結構不斷出現。土木工程結構逐漸趨向大型化、復雜化和多樣化。這些工程結構體形龐大、結構復雜，服役期往往長達幾十年，甚至上百年。同時，這些結構在國民生產中占據重要地位，一旦在服役期間出現嚴重事故，如橋梁的突然折斷、房屋建筑的驟然倒塌、輸油管道的泄露等，必將給國家造成重大的社會影響和財產損失。但是，處于自然環境中的工程結構，長期受到各種環境荷載以及地震、臺風、海嘯、爆炸和車船碰撞等突發性荷載的共同作用，從服役開始結構就面臨著損傷問題。隨著工程結構服役年限的不斷增加，結構中經常存在的表面破損或缺陷，易引起人們的重視；而結構中還存在著肉眼不可見的內在缺陷和微小損傷，這些損傷較易被忽視。當損傷積累到一定程度后，會造成工程結構的抗力衰減，使結構的安全性、實用性和耐久性降低，極端情況下會導致整個工程結構的突然失效，造成重大的人員傷亡和經濟財產損失。為了保證工程結構的安全，就需要一個有效的結構損傷識別方法，使損傷積累尚未到達威脅結構安全程度之前就能夠被檢測出來，從而對損傷結構給予及時修復，保證工程結構的安全運行。

1機電阻抗模型

機電阻抗技術是一種不依賴于模態分析的結構安全監測和損傷識別技術。對于大型復雜結構，由于沒有建立合適的理論模型，很難將所測得的電阻抗信號同被監測結構的物理參數定量地聯系起來。因此，建立合適的機電阻抗模型，對結構安全監測的定量分析具有重要意義。目前，用于傳感器一主體結構體系振動分析的方法主要有三種，分別為靜力等效法、動力有限元法以及機電阻抗法。

靜力等效法主要基于兩個基本假定：即傳感器與主體結構之間的相互作用是位于傳感器端部的集中力，以及獲得的集中力與激勵頻率無關。該集中力可通過傳感器與結構的位移協調方程和靜力平衡方程求解得到，然后用該力求解結構的靜動力響應。動力有限元法是數值求解中應用較為廣泛的一種，能夠對結構動態響應提供準確的預測，是進行結構動態響應分析的有效手段。但其仍存在不足之處，例如，為了滿足收斂性，在機電阻抗傳感器周圍需要很精細的網格劃分，這導致計算效率較低：并且沒有反映傳感器與結構相互作用的物理本質。機電阻抗法作為分析研究傳感器與結構相互作用的重要方法之一，它具有物理意義明確、計算效率高等特點，成為當前國內外學者的研究對象之一。

2結構損傷識別

在結構健康監測系統的幾部分內容中，結構損傷診斷與識別是結構健康監測的核心。結構健康監測系統中的最主要環節就是結構損傷識別研究。結構中產生損傷具體表現在結構的某些特征參數發生變化。結構損傷識別是對結構進行檢測，診斷結構損傷是否存在，進而判斷結構損傷的位置及發展程度。結構損傷識別研究的基本內容有三個：1）判斷結構是否產生損傷；2）判別結構損傷發生的位置；3）判斷結構的損傷程度。結構損傷識別技術可以分為全局損傷識別技術和局部損傷識別技術。全局損傷識別方法針對于解決整個結構特別是大型復雜結構的損傷識別問題。結構損傷的出現，必將影響結構的固有屬性，使得表征結構動力特性的某些特征參數發生變化，如結構固有頻率的改變、結構阻尼的增大、結構剛度的降低等。因此，通過研究損傷產生前后結構模態參數的改變來對結構損傷進行識別。基于振動的模態分析方法對檢測簡單結構的全局損傷比較可靠，而基于波動的損傷識別方法對局部損傷較為敏感。

3基于粘貼型機電阻抗傳感器的管道結構損傷識別研究

機電阻抗（EMI）技術作為近來興起的一種有效的結構損傷識別方法，其對結構局部區域特性的變化很敏感，便利于監測結構局部區域的損傷并對損傷程度進行評估。對管道結構進行實時的損傷監測，是建立管道結構損傷識別系統的基本前提。管道結構損傷識別系統的有效運行離不開機電阻抗傳感器的合理布設，機電阻抗傳感器的形狀、數量和位置對監測結果起決定性的作用。

將統計特征指標RMSD作為損傷指數，定量地分析管道系統局部損傷的發展過程以及發展程度，并實現對裂紋損傷的定位。得到以下結論：

（1）直管道結構與K型管結點模型試驗結果一致反映出：I）基于EMI技術能夠靈敏地反映管道系統中局部微小變化，能對管道系統早期的局部微小損傷進行有效地識別；2）在損傷程度不斷擴展的過程中，損傷指數RMSD逐漸增長，并且結構等效機械阻抗和結構損傷敏感因子D的損傷指數增幅更大，變化更加明顯。由此定量地描述管道系統局部損傷的發展過程以及發展程度；3）通過布設的機電阻抗傳感器網絡，利用結構損傷敏感因子D能夠準確地預測管道系統中損傷發生的位置，實現對管道系統裂紋損傷的定位。

（2）直管道試驗結果中，對比裂紋I與裂紋II的結構等效機械阻抗和結構損傷敏感因子D對應的損傷指數RMSD發現：傳感器距離損傷位置越近，損傷指數RMSD越大且變化越明顯，識別的效果越好。

（3）基于K型管結點模型試驗結果發現：1）當裂紋損傷發生在弦管上時，布置在弦管的機電阻抗傳感器對于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出兩種裂紋的存在。通過研究結構損傷敏感因子D對應的損傷指數RMSD發現，靠近損傷一側的撐管上部分機電阻抗傳感器能夠微弱地感應到弦管上出現的損傷，這說明了撐管上各傳感器對于弦管上的損傷不敏感：2）當裂紋損傷發生在撐管上時，撐管的機電阻抗傳感器對于徑向斷裂和軸向劈裂等兩種裂紋形式都很敏感，能夠反映出裂紋損傷的存在。弦管上接近裂紋損傷的機電阻抗傳感器能夠感應到撐管上出現的裂紋損傷；3）當裂紋損傷沿焊縫處發展，在弦管和撐管上接近裂紋損傷的機電阻抗傳感器都能夠感應到裂紋的產生及發展過程，這說明了利用改進的EMI技術能夠同時在弦管和撐管上監測沿焊縫發展的裂紋損傷。

結束語

工程結構的安全問題己經引起人們的廣泛關注和重視，如果能在災難到來之前對其預測，進行評估以趨利避害成為目前研究的焦點。因此，對工程結構整個服役期的健康狀況進行監測和診斷，及時地發現結構的損傷，有效地避免突發事故造成的傷害，已經成為未來土木工程結構健康監測和損傷識別研究中的主要內容和必然要求，也是土木工程學科發展的一個重要領域。

參考文獻：

[1]左春愿，陸路，朱葉.基于機電阻抗法的管道結構損傷識別研究[J].淮陰工學院學報，2018，27（01）：60-63.

[2]任凱，張子涵，杜飛，吳冠男，徐超.基于阻抗法的多螺栓連接預緊扭矩檢測試驗研究[J].動力學與控制學報，2018，16（05）：467-472.

[3]何存富，楊申，劉增華，焦敬品，宋國榮，吳斌.基于神經網絡技術的管道機電阻抗健康狀況定量評估研究[J].實驗力學，2013，28（01）：20-26.

（作者單位：國網山東省電力公司招遠市供電公司）