基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法技术

本发明专利技术提供了基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法，包括：设计面向结构损伤辨识的分布式光纤光栅传感器布局方案；将结构损伤引起的应变响应特征场突变效果，等效为在结构损伤区域施加集中附加载荷所致；求解无损伤结构在均布压力载荷作用下应变响应特征场；求解无损伤结构在该集中附加载荷作用下的应变响应特征场；求解得到含损伤结构在实际工况下应变叠加响应特征场；判断结构是否发生损伤以及确定结构发生损伤具体位置坐标。标。标。

【技术实现步骤摘要】
基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法


[0001]本专利技术属于结构健康监测的领域，具体涉及基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法。

技术介绍

[0002]针对我国目前服役的重大型装备，由于使用过程中这些结构会遭受不同程度的潜在损伤，对实际运行的大型结构造成极大的安全隐患，所以亟需对结构进行损伤判别以及获取结构损伤区域，然后采取修补手段，避免发生灾难性事故。
[0003]损伤监测方法存在的问题：由于结构发生损伤后，会导致损伤区域的弹性模量等力学属性减弱，因此可以通过反演结构应变响应特征场，根据损伤区域应变分布规律构建基于应变向量范数/曲率向量范数的结构损伤辨识典型指标体系，用于判断结构是否发生损伤以及确定结构发生损伤具体位置坐标。
[0004]在结构应变响应特征场反演方面，主要有两种方式。一种为仅从数学角度出发，采用双调和样条法、克里金插值法进行结构应变场反演，该类方法并未考虑结构力学属性，若损伤区域不在光纤光栅传感器监测范围内，则无法对结构进行准确应变响应特征场反演。
[0005]另一种是从力学角度出发，根据结构加载力学模型，分析结构应力
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应变分布特征，重构结构应变场。该类方法有逆有限元法、模态叠加法，针对逆有限元法，需要同时获得测点三个方向应变，导致所需要光纤光栅传感器数量过多且走线路径较为复杂，不适于实际工程研究；针对常规模态叠加法，需要获取较为准确的物理模型才能进行应变响应特征场反演，但是结构发生损伤后物理模型也会随之改变，因此，无法直接利用此类方法反演得到含损伤结构应变场。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对目前结构损伤辨识使用要求，损伤辨识系统简单，操作过程简洁的新方法。为此，本专利技术提出了提供基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法，从而构建基于应变向量范数/曲率向量范数的结构损伤辨识典型指标体系，用于判断结构是否发生损伤以及确定结构发生损伤具体位置坐标。
[0007]本专利技术具体包括：步骤1，设计面向结构损伤辨识的分布式光纤光栅传感器布局方案；步骤2，将结构损伤引起的应变响应特征场突变效果，等效为在结构损伤区域施加集中附加载荷所致；步骤3，采用模态叠加算法，求解无损伤结构在均布压力载荷作用下应变响应特征场；步骤4，通过施加用于模拟损伤的等效集中附加载荷，求解无损伤结构在该集中附加载荷作用下的应变响应特征场；步骤5，根据无损伤结构在均布压力载荷作用下应变响应特征场，结合无损伤结构
在该集中附加载荷作用下的应变响应特征场，提出应变响应特征场联合求解方法，计算求解得到含损伤结构在实际工况下应变叠加响应特征场；步骤6，构建基于应变向量范数/曲率向量范数的结构损伤辨识典型指标体系，用于判断结构是否发生损伤以及确定结构发生损伤具体位置坐标。
[0008]步骤1包括：针对航空航天结构损伤检测光纤传感布局方案设计，采用错开式布局方案，具体布局方案如下：沿结构轴向等间距布置A条光纤光栅串，A的取值范围为1≤A≤16，每条光纤光栅串之间间隔a （单位mm），a的取值范围为0≤a ≤100，且相邻两条光纤光栅串上的光纤光栅传感器呈错开方式布置，相邻两条光纤光栅串中，一条光纤光栅串上有B个光纤光栅传感器，B的取值范围为1≤B≤9，另一条光纤光栅串上有B+1个光纤光栅传感器；每条光纤光栅串上相邻两个光纤光栅传感器间隔为b （单位mm），b的取值范围为0≤b≤200，通过光纤跳线将所述光纤光栅传感器连接至解调仪上，构成分布式光纤传感器网络。
[0009]步骤2包括：步骤2
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1，针对无损伤航空航天结构，将无损伤结构等效为多自由度线性系统，多自由度线性系统的动力学方程表示为：，其中，为无损伤系统质量矩阵，为无损伤系统阻尼矩阵，为无损伤系统刚度矩阵，为无损伤系统位移，为无损伤系统速度，为无损伤系统加速度，为系统发生损伤前后所受外载荷向量，即对含损伤与无损伤的系统所施加的外载荷相同；步骤2
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2，针对含损伤航空航天结构，将含损伤结构等效为多自由度线性系统，由于多自由度线性系统发生损伤后，质量矩阵与阻尼矩阵并未发生明显变化，且多自由度线性系统所受外载荷向量不发生变化，将动力学方程近似表示为：，其中，为含损伤系统刚度矩阵，为含损伤系统位移，为含损伤系统速度，为含损伤系统加速度；步骤2
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3，根据拉普拉斯变化，令，则，代入步骤2
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1和步骤2
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2中的表达式得到：，其中e表示自然常数，为结构固有频率，j为虚数单位，为含损伤系统位移，为无损伤系统位移，为结构载荷向量；无损伤系统与含损伤系统位移存在以下函数关系：，其中为无损伤系统位移变化量；
无损伤系统与含损伤系统刚度矩阵存在以下关系：，其中，为无损伤系统刚度变化矩阵；根据位移函数关系与刚度矩阵关系，得到：，化简后得到：，其中，为集中附加载荷，则结构损伤引起的位移响应特征场突变效果等效为在结构损伤区域施加集中附加载荷；步骤2
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4，通过结构应变场突变进行结构损伤判位：结构单元位移与应变存在以下关系：，其中，为系统应变矩阵，为结构单元几何矩阵，为系统位移矩阵；得到如下公式：，其中，为含损伤系统应变变化矩阵，为含损伤系统应变矩阵，为集中附加载荷。
[0010]步骤3包括：步骤3
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1，针对航空航天结构，采用单端固支方式，另一端施加均布压力载荷，根据模态叠加原理，结构在载荷作用下的应变响应是其所有应变振型的线性叠加，结构内表面分布式光纤光栅传感器所布测点位置的应变表示为：，其中，为分布式光纤光栅传感器所布测点位置在均布压力载荷作用下的应变响应矩阵，为分布式光纤光栅传感器所布测点位置的应变振型矩阵，为模态坐标；M为光纤光栅传感器测点数量，n为模态阶数；表示结构第M个反演位置点所对应第n阶应变模态；步骤3
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2，结构在均布压力载荷作用下所有位置处的应变响应矩阵表示为：
，其中，N为结构反演位置点的数量，为结构反演位置点应变振型矩阵，表示结构第N个反演位置点所对应第n阶应变模态；步骤3
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3，如果M≥N，求解得到，其表达式为：，其中T表示矩阵转置。
[0011]步骤4包括：步骤4
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1，针对航空航天结构，根据结构动力学响应方程，当多载荷同时作用在航空航天结构上引起的应变响应等效为载荷分别作用在结构上获得的线性叠加应变响应，关系式表示为：，其中，表示将分解为r个单独作用载荷，为第r个载荷；表示为结构位移向量，表示为结构速度向量，即对进行一阶求导，表示为结构加速度向量，即对进行二阶求导；表示为结构刚度矩阵；根据拉普拉斯变换解得结构线性叠加应变响应表达式为：，其中，表示为r个单独作用载荷下的应变响应向量，为第r个载荷作用下的应变响应向量；步骤4
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2，令无损伤结构与含损伤结构应变测点位置相同，得到集中附加载荷引起的结构测点应变响应为：，其中，为含损伤结构光纤光栅传感器测点应变向量，为无损伤结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于等效附加载荷应变响应特征计算的结构损伤辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设计面向结构损伤辨识的分布式光纤光栅传感器布局方案；步骤2，将结构损伤引起的应变响应特征场突变效果，等效为在结构损伤区域施加集中附加载荷所致；步骤3，采用模态叠加算法，求解无损伤结构在均布压力载荷作用下应变响应特征场；步骤4，通过施加用于模拟损伤的等效集中附加载荷，求解无损伤结构在该集中附加载荷作用下的应变响应特征场；步骤5，根据无损伤结构在均布压力载荷作用下应变响应特征场，结合无损伤结构在该集中附加载荷作用下的应变响应特征场，提出应变响应特征场联合求解方法，计算求解得到含损伤结构在实际工况下应变叠加响应特征场；步骤6，构建结构损伤辨识典型指标体系，用于判断结构是否发生损伤以及确定结构发生损伤具体位置坐标。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：针对航空航天结构损伤检测光纤传感布局方案设计，采用错开式布局方案，具体布局方案如下：沿结构轴向等间距布置A条光纤光栅串，A的取值范围为1≤A≤16，每条光纤光栅串之间间隔a ，a的取值范围为0≤a ≤100，且相邻两条光纤光栅串上的光纤光栅传感器呈错开方式布置，相邻两条光纤光栅串中，一条光纤光栅串上有B个光纤光栅传感器，B的取值范围为1≤B≤9，另一条光纤光栅串上有B+1个光纤光栅传感器；每条光纤光栅串上相邻两个光纤光栅传感器间隔为b ，b的取值范围为0≤b≤200，通过光纤跳线将所述光纤光栅传感器连接至解调仪上，构成分布式光纤传感器网络。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2
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1，针对无损伤航空航天结构，将无损伤结构等效为多自由度线性系统，多自由度线性系统的动力学方程表示为：，其中，为无损伤系统质量矩阵，为无损伤系统阻尼矩阵，为无损伤系统刚度矩阵，为无损伤系统位移，为无损伤系统速度，为无损伤系统加速度，为系统发生损伤前后所受外载荷向量，即对含损伤与无损伤的系统所施加的外载荷相同；步骤2
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2，针对含损伤航空航天结构，将含损伤结构等效为多自由度线性系统，将动力学方程近似表示为：，其中，为含损伤系统刚度矩阵，为含损伤系统位移，为含损伤系统速度，为含损伤系统加速度；步骤2
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3，根据拉普拉斯变化，令，则，代入步骤2
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1和步骤2
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2中的表达式得到：
，其中e表示自然常数，为结构固有频率，j为虚数单位，为含损伤系统位移，为无损伤系统位移，为结构载荷向量；无损伤系统与含损伤系统位移存在以下函数关系：，其中为无损伤系统位移变化量；无损伤系统与含损伤系统刚度矩阵存在以下关系：，其中，为无损伤系统刚度变化矩阵；根据位移函数关系与刚度矩阵关系，得到：，化简后得到：，其中，为集中附加载荷，则结构损伤引起的位移响应特征场突变效果等效为在结构损伤区域施加集中附加载荷；步骤2
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4，通过结构应变场突变进行结构损伤判位：结构单元位移与应变存在以下关系：，其中，为系统应变矩阵，为结构单元几何矩阵，为系统位移矩阵；得到如下公式：，其中，为含损伤系统应变变化矩阵，为含损伤系统应变矩阵，为集中附加载荷。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括：步骤3
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1，针对航空航天结构，采用单端固支方式，另一端施加均布压力载荷，根据模态叠加原理，结构在载荷作用下的应变响应是其所有应变振型的线性叠加，结构内表面分布式光纤光栅传感器所布测点位置的应变表示为：
，其中，为分布式光纤光栅传感器所布测点位置在均布压力载荷作用下的应变响应矩阵，为分布式光纤光栅传感器所布测点位置的应变振型矩阵，为模态坐标；M为光纤光栅传感器测点数量，n为模态阶数；表示结构第M个反演位置点所对应第n阶应变模态；步骤3
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2，结构在均布压力载荷作用下所有位置处的应变响应矩阵表示为：，其中，N为结构反演位置点的数量，为结构反演位置点应变振型矩阵，表示结构第N个反演位置点所对应第n阶应变模态；步骤3
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3，如果M≥N，求解得到，其表达式为：，其中T表示矩阵转置。5.根据权利要求4所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐吉洪，曾捷，陈斌斌，占俊，朱洋洋，綦磊，陈勇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：