一种悬臂梁结构表面裂纹参数识别方法技术

本发明专利技术涉及一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，能够同时精确识别裂纹数量，裂纹位置，裂纹损伤度，属于梁结构的在线健康监测领域。本发明专利技术可以同时精确识别损伤位置及损伤度；无需结构件健康条件下的基础数据，更加有利于实现在线结构健康监测；该方法可满足同时对结构件存在2条及以上裂纹进行损伤识别。在单个裂纹损伤识别过程中，通过数学寻优使得损伤识别过程更加简单高效，进而节省了计算资源，提高了识别效率。

【技术实现步骤摘要】
一种悬臂梁结构表面裂纹参数识别方法
本专利技术涉及一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，能够同时精确识别裂纹数量，裂纹位置，裂纹损伤度，属于梁结构的在线健康监测领域。
技术介绍
悬臂梁是一种广泛应用于工程装备的基本构件，长期服役过程中受材料、加工制造、环境、以及交变载荷等因素影响不可避免的存在裂纹损伤，进而影响其可靠运行，因此，对于服役悬臂梁结构的在线损伤检测和识别显的尤为重要。目前，结构件的表面裂纹通常借助于梁表面不同被测点的实时振动信息进行在线检测识别。其中，按照不同的振动信息特征可分为两大类：第一，基于损伤前后模态频率的变化率进行识别，该方法具有测量简单、便捷，抗干扰能力强等优势，但当出现多条裂纹时，由于位置不同的损伤可能造成相同固有频率变化，因此，仅适用于单个裂纹的定位，且只能定位一定区间范围；第二，基于模态振型变化的损伤识别方法，该方法可以非常方便的对裂纹进行损伤定位，但损伤定位精度较差且无法识别裂纹损伤程度，此外，该损伤识别方法需要健康条件下的振型信息，模态振型易受传感器件以及环境噪声的干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种能够同时精确识别悬臂梁结构表面裂纹数量，裂纹位置和损伤程度的测量方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，包括如下步骤：(1)在被测悬臂梁上将n个应变传感器Nj(j＝1,2,3…n)沿悬臂梁长度方向均匀布置，形成应变传感器阵列；(2)利用应变传感器阵列实时测量悬臂梁结构各测量点应变信息，通过对各测量点应变信息进行频域分析，得到不同测量点的各阶模态频率ωk,j(k＝1,2,3…；j＝1,2,3…n)，计算得到各阶模态频率ωk相对应的各阶特征值λk(k＝1,2,3…)，并对各测量点的各阶模态频率下对应信号幅值拟合得到悬臂梁的各阶应变模态振型(k＝1,2,3…)，步骤(2)中的所有k表示模态频率的不同阶数；(3)求取悬臂梁相邻时刻应变模态振型差Δ，判断是否存在结构损伤；若Δ﹤γ，表示无损伤存在，则重复步骤(2)；当Δ﹥γ，表示存在损伤，搜索确定应变模态振型差Δ的曲线峰值，根据该峰值确定裂纹损伤所在测量区间[Rj,Rj+1]；其中γ为预设的经验值；(4)依据含裂纹悬臂梁自由振动方程组，获得方程F：含裂纹悬臂梁自由振动方程组如下：假设悬臂梁结构件表面存在y条裂纹，将悬臂梁结构分成y+1段，第i(i＝1,2,3…y)条裂纹前一段和后一段的位移模态振型分别为φi(x)＝ci1sin(λkx)+ci2cos(λkx)+ci3sinh(λkx)+ci4cosh(λkx)φ(i+1)(x)＝c(i+1)1sin(λkx)+c(i+1)2cos(λkx)+c(i+1)3sinh(λkx)+c(i+1)4cosh(λkx)其中ci1,ci2,ci3,ci4,c(i+1)1,c(i+1)2,c(i+1)3,c(i+1)4分别表示位移模态振型系数；λk表示特征值，其与各阶模态频率具有以下关系：L表示悬臂梁结构件长度，A表示悬臂梁结构件横截面积，E表示悬臂梁结构件弹性模量，I表示悬臂梁结构件横截面惯性矩，ρ表示悬臂梁结构件密度；令根据悬臂梁在第i条裂纹位置处连续性条件有φi(Lci)＝φi+1(Lci)φi"(Lci)＝φ"i+1(Lci)φ"′i(Lci)＝φ"′i+1(Lci)φ′i(Lci)+θφ"i(Lci)＝φ′i+1(Lci)φi′,φi",φi′"分别表示第i段位移模态振型的一阶导数,二阶导数,三阶导数；Lci表示第i条裂纹位置；θ表示与裂纹深度有关的函数，由以下公式表示θ＝6h(1-υ2)JiJi＝(1.8624αi2-3.95αi3+16.37αi4-37.22αi5+76.81αi6-126.9αi7+172αi8-43.97αi9+66.56αi10)其中αi表示第i条裂纹的损伤程度，υ表示悬臂梁结构泊松比，h表示悬臂梁厚度，Ji为中间变量；对上面悬臂梁在裂纹位置处连续性条件方程进行推导并利用传递矩阵可以得到其中：Ci+1表示悬臂梁第i+1段位移模态振型系数矩阵，Ci表示悬臂梁第i段位移模态振型系数矩阵，Bi表示悬臂梁第i段与各阶特征值和裂纹位置有关的矩阵，Ai表示悬臂梁第i+1段与各阶特征值和裂纹位置有关的矩阵，表示Ai的逆矩阵；由悬臂梁在自由端边界条件：进一步推导得到令由前面方程可知:Ay-1和By是四行四列的矩阵，则U为两行四列矩阵，假设则由悬臂梁在固定端边界条件：C11+C13＝0C12+C14＝0综合悬臂梁在固定端、自由端边界条件可得U11，U12，U13，U14，U21，U22，U23，U24是矩阵U中的元素，都是关于裂纹位置、裂纹损伤程度值及模态频率的参量，若方程有解，需满足下面方程：该方程可以表示为即F(λk,Lcy,αy,Lc(y-1),αy-1,···,Lc1,α1)＝0F表示与各阶特征值λk，第y条裂纹位置Lcy，第y条裂纹损伤度αy，第y-1条裂纹位置Lc(y-1)，第y-1条裂纹深度αy-1，直到第一条裂纹位置Lc1，第一条裂纹深度α1等有关的方程；由(3)得到的裂纹损伤所在测量区间有一个时，表示有一条裂纹，此时执行步骤(5)；当由(3)得到裂纹损伤所在测量区间有多个时，表示有多个裂纹，执行步骤(6)；(5)当有一条裂纹时，方程F简化为F(λk,Lc1,α1)＝0此时利用数学寻优法进行搜索，利用各阶特征值λk迭代得到该条裂纹的损伤程度值α1、损伤位置为Lc1；数学寻优法如下：利用任意两阶特征值λk1，λk2和步骤(3)中确定的裂纹损伤所在测量区间[Rj,Rj+1]代入方程得到各阶特征值下对应的损伤程度值α1,k1和α1,k2，计算任意两阶特征值下对应的损伤程度值差的绝对值是否满足预设判断值δ，数学寻优公式如下：|α1,k1-α1,k2|＜δδ表示预设判断值、且为趋于0的正数，k1和k2表示不同阶数；通过数学寻优法，不断循环，直到找到满足数学寻优公式的两阶特征值下对应的损伤程度值，两阶特征值下对应的损伤程度值的平均值即为所求α1，代入方程F，所对应损伤位置为Lc1；通过以上步骤，完成了悬臂梁结构单条裂纹损伤存在，损伤位置和损伤程度识别；(6)当有多条裂纹时，由步骤(4)的方程F可知，一条裂纹对应两个参量，即裂纹位置Lci和损伤程度值αi，y条裂纹对应2y个参量，需要2y个方程F，方能求解，即需要带入2y个特征值λk即可求得每条裂纹位置Lcy,Lc(y-1),Lc(y-2),…Lc2,Lc1及其对应的损伤程度值αy,αy-1,αy-2,…α2,α1。通过以上步骤，完成了悬臂梁结构表面多条裂纹损伤存在，损伤位置和损伤程度识别。本专利技术步骤(2)中不同测量点的各阶模态频率ωk,j(k＝1,2,3…；j＝1,2,3…n)相等，因此，在随后的步骤中使用ωk表述了各阶模态频率。本专利技术步骤(3)中预设的经验值γ，可根据有限元仿真与地面测试等方法来获得，是本领域技术人员容易实现的。本专利技术中测量区间[Rj,Rj+1]表征的是第j个应变传感器与第j+1个应变传感器之间距离。本专利技术步骤(4)中ci1,ci2,ci3,ci4以及c(i+1)1,c(i+1)2,c(i+1)3,c(i+1)4分别表示位移模态振型系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在被测悬臂梁上将n个应变传感器Nj(j＝1,2,3…n)沿悬臂梁长度方向均匀布置，形成应变传感器阵列；(2)利用应变传感器阵列实时测量悬臂梁结构各测量点应变信息，通过对各测量点应变信息进行频域分析，得到不同测量点的各阶模态频率ωk,j(k＝1,2,3…；j＝1,2,3…n)，计算得到各阶模态频率ωk相对应的各阶特征值λk(k＝1,2,3…)，并对各测量点的各阶模态频率下对应信号幅值拟合得到悬臂梁的各阶应变模态振型

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁结构表面裂纹参数的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在被测悬臂梁上将n个应变传感器Nj(j＝1,2,3…n)沿悬臂梁长度方向均匀布置，形成应变传感器阵列；(2)利用应变传感器阵列实时测量悬臂梁结构各测量点应变信息，通过对各测量点应变信息进行频域分析，得到不同测量点的各阶模态频率ωk,j(k＝1,2,3…；j＝1,2,3…n)，计算得到各阶模态频率ωk相对应的各阶特征值λk(k＝1,2,3…)，并对各测量点的各阶模态频率下对应信号幅值拟合得到悬臂梁的各阶应变模态振型步骤(2)中的所有k表示模态频率的不同阶数；(3)求取悬臂梁相邻时刻应变模态振型差Δ，判断是否存在结构损伤；若Δ﹤γ，表示无损伤存在，则重复步骤(2)；当Δ﹥γ，表示存在损伤，搜索确定应变模态振型差Δ的曲线峰值，根据该峰值确定裂纹损伤所在测量区间[Rj,Rj+1]；其中γ为预设的经验值；(4)依据含裂纹悬臂梁自由振动方程组，获得方程F：含裂纹悬臂梁自由振动方程组如下：假设悬臂梁结构件表面存在y条裂纹，将悬臂梁结构分成y+1段，第i(i＝1,2,3…y)条裂纹前一段和后一段的位移模态振型分别为φi(x)＝ci1sin(λkx)+ci2cos(λkx)+ci3sinh(λkx)+ci4cosh(λkx)φ(i+1)(x)＝c(i+1)1sin(λkx)+c(i+1)2cos(λkx)+c(i+1)3sinh(λkx)+c(i+1)4cosh(λkx)其中ci1,ci2,ci3,ci4,c(i+1)1,c(i+1)2,c(i+1)3,c(i+1)4分别表示位移模态振型系数；λk表示特征值，其与各阶模态频率具有以下关系：L表示悬臂梁结构件长度，A表示悬臂梁结构件横截面积，E表示悬臂梁结构件弹性模量，I表示悬臂梁结构件横截面惯性矩，ρ表示悬臂梁结构件密度；令根据悬臂梁在第i条裂纹位置处连续性条件有φi(Lci)＝φi+1(Lci)φ″i(Lci)＝φ″i+1(Lci)φ″′i(Lci)＝φ″′i+1(Lci)φ′i(Lci)+θφ″i(Lci)＝φ′i+1(Lci)φi',φi",φi'"分别表示第i段位移模态振型的一阶导数,二阶导数,三阶导数；Lci表示第i条裂纹位置；θ表示与裂纹深度有关的函数，由以下公式表示θ＝6h(1-υ2)JiJi＝(1.8624αi2-3.95αi3+16.37αi4-37.22αi5+76.81αi6-126.9αi7+172αi8-43.97αi9+66.56αi10)其中αi表示第i条裂纹的损伤程度，υ表示悬臂梁结构泊松比，h表示悬臂梁厚度，Ji为中间变量；对上面悬臂梁在裂纹位置处连续性条件方程进行推导并利用传递矩阵可以得到其中：Ci+1表示悬臂梁第i+1段位移模态振型系数矩阵，Ci表示悬臂梁第i段位移模态振型系数矩阵，Bi表示悬臂梁第i段与各阶特征值和裂纹位置有关的矩阵，Ai表示悬臂梁第i+1段与各阶特征值和裂纹位置有关的矩阵，表示Ai的逆矩阵；

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晶，李洁，李灵杰，李栋，唐家鹏，焦国太，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14