基于DIC和加速度傳感器試驗(yàn)的損傷識(shí)別對(duì)比

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

一、模態(tài)應(yīng)變能理論

將前m階損傷前后的模態(tài)應(yīng)變能求和，得到

(1)

(2)

因此計(jì)算對(duì)m階的第j個(gè)單元的加權(quán)模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)如下

(3)

當(dāng)MSECRcj為極大值時(shí)，即可識(shí)別出j單元為損傷單元[4]。運(yùn)用公式(3)的MSECRcj指標(biāo)是選擇前m階模態(tài)應(yīng)變能之和來代替所有模態(tài)的應(yīng)變能之和，避免不了模態(tài)截?cái)鄬?dǎo)致的誤差。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：FASTCAM SA3高速攝像機(jī)、尼康24-85mm F3.5-6變焦鏡頭、JM3840動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器、力錘、筆記本電腦。

振動(dòng)信號(hào)分析軟件采用JMTST動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析軟件，主要的工作是采集振動(dòng)的加速度信號(hào)和力信號(hào)或處理DIC技術(shù)獲取的位移信號(hào)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，獲取實(shí)驗(yàn)的模態(tài)參數(shù)。圖片記錄軟件采用PHOTRON FASTCAM VIEWER(PFV-Ver)，主要工作是記錄實(shí)驗(yàn)振動(dòng)過程中的圖片，將圖片存為tiff格式可加快保存的速度。圖片處理程序軟件選用MATLAB[5]，主要的工作：一是用數(shù)字圖像相關(guān)追蹤程序，追蹤獲取振動(dòng)過程中的位移時(shí)程曲線。二是自編程序用于計(jì)算各工況的模態(tài)應(yīng)變能變化率。

三、實(shí)驗(yàn)的方法和步驟

本次試驗(yàn)采用一點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)采集響應(yīng)的方式，力錘盡可能保持垂直敲擊，避免鋼架在作彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)混入扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每一次敲擊后應(yīng)讓結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減完再進(jìn)行下一次敲擊。為了規(guī)避實(shí)測(cè)中遇見的偶然誤差，每個(gè)工況都需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，綜合考慮多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)[6]。

加速度傳感器和DIC的試驗(yàn)步驟如下：

1.加速度傳感器試驗(yàn)

(1)連接好設(shè)備，并設(shè)置好相關(guān)軟件的參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量范圍內(nèi)，選取全部螺栓球(①～⑩)作為測(cè)量點(diǎn)，分別豎直穩(wěn)固地安裝到10個(gè)螺栓球表面，傳感器的布置圖，如圖3所示。并連接好設(shè)備和設(shè)置好設(shè)備軟件參數(shù)。用力錘激振法采集激勵(lì)力的信號(hào)和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度響應(yīng)信號(hào)。

(2)在動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析軟件上分析各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)。

(3)通過頻響函數(shù)識(shí)別出振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率及振型。

(4)將獲取的豎向振型數(shù)據(jù)用于計(jì)算單元模態(tài)應(yīng)變能變化率，最終初步識(shí)別出損傷的桿件[7]。

2.DIC試驗(yàn)

(1)連接好設(shè)備，并設(shè)置好相關(guān)軟件的參數(shù)，拍攝并保存實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)量范圍內(nèi)的整個(gè)振動(dòng)過程的圖片。

(2)運(yùn)用Matlab數(shù)字圖像相關(guān)程序追蹤10個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線，從而獲得振動(dòng)過程的豎向位移響應(yīng)信號(hào)。所示，紅色的標(biāo)記點(diǎn)為DIC的追蹤測(cè)點(diǎn)。

(3)將DIC實(shí)驗(yàn)得到的位移響應(yīng)信號(hào)導(dǎo)入到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析軟件當(dāng)中。接下來的步驟同加速度傳感器實(shí)驗(yàn)的(3)和(4)步。

實(shí)驗(yàn)損傷識(shí)別流程所示。

圖1 損傷識(shí)別流程圖

四、結(jié)論

本章首先應(yīng)用DIC和加速度傳感器兩種方式測(cè)量空間鋼架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，然后獲取模態(tài)參數(shù)，計(jì)算一階的模態(tài)應(yīng)變能變化率，進(jìn)而識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷狀況，對(duì)比兩種測(cè)量手段的損傷識(shí)別結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：基于DIC技術(shù)的識(shí)別精確度略低于基于傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的識(shí)別精度，但基本都能識(shí)別出單損傷工況的損傷位置，而對(duì)雙損傷工況的識(shí)別識(shí)別時(shí)，易有誤判漏判的情況。因此，可以確定基于DIC測(cè)量位移技術(shù)用于損傷識(shí)別領(lǐng)域的可行性，但測(cè)量精度還有待提高。