[发明专利]一种轴向功能梯度梁的损伤识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构健康检测损伤识别技术领域，更具体地，涉及一种轴向功能 梯度梁的损伤识别方法。

背景技术

伴随着我国社会的高速发展，各式各样的工程设施数量不断增长，大规模复 杂建筑拔地而起。在这些结构和基础设施服役期间，由于环境荷载的作用、腐蚀、 材料老化等不利因素的影响，随着时间的推移，将不可避免地积累结构疲劳和产 生损伤。如果对这些损伤置之不理，一旦结构关键部位的损伤积累到一定程度， 损伤将会迅速扩展，进而导致整个结构的破坏。由于未能及时发现结构而造成的 悲剧不胜枚举，不仅会带来重大的经济损伤，更会对人民的生命造成威胁。所以， 对结构的健康状况进行检测评估，已成为结构服役期间的必然需求。

检测结构损伤的方法多种多样。从最初的用肉眼观察到现在用高科技仪器， 如超声波、红外线等，这些技术已广泛地应用于工程实际之中。在各种各样的方 法中，基于结构振动特性的损伤识别技术得到了最广泛的研究。基于结构振动特 性的损伤识别技术的基本思想是：局部损伤必然引起结构动力特征变化。如果按 照所用数据进行分类，还能细分为两类：静态识别技术和动态识别技术。

对于静态识别技术，就是应用静态测量数据来进行损伤识别。由于静力平衡 方程只涉及结构刚度，因此识别目标比较明确。而且静力测量数据比较容易获取， 测量误差也很小。但是就目前的静力识别技术，大多存在算法过程复杂、计算量 大或精度不足等问题。而对于动态识别技术，就是应用动力系统中的各种参数来 进行损伤识别。目前主要技术方向有频域和时域两种。频域方向的技术主要应用 动力系统中的频率、振型、模态曲率或频响函数等；时域方向的技术主要应用到 动力系统的速度、加速度、位移响应。动态识别技术的优势在于能用于识别的参 数非常多且方法丰富，而其劣势在于所需测量数据量较大且容易受噪声影响等。

近些年来，由于工程、科技上的各种需求，各种材料如雨后春笋般出现，而 功能梯度材料由于其具有良好的热学和力学性质，故被越来越广泛地应用到了航 天、工程等领域中。而作为结构中的一环，功能梯度梁也难免会出现疲劳、损伤 等情况，对其进行损伤识别，也成为了工程研究中非常重要的一部分。

文献“基于静力响应的桥梁结构损伤识别(国外建材科技，2006，27(2)， 105～107)”介绍了一种识别桥梁结构的方法。该方法运用静力测量数据，并通过 进一步求解损伤控制方程来得到识别结果，但在损伤程度增加及损伤数大的情况 下识别偏差较大，且容易出现误判，求解方程时会遇到计算量大的问题。而文献 “结构损伤识别的柔度灵敏度方法(中山大学学报，2010，49(1)，16～19)”提 出了一种基于振动模态的模型修正方法。该方法通过Neumann级数展开来推导 结构柔度矩阵关于单元刚度损伤参数的灵敏度公式，以此建立结构的损伤识别方 程，能得到较好的识别结果。然而由于应用到模态数据，对测点数量有一定的要 求，在使用不完整模态的情况下精度有所降低。同样，由于没有对损伤位置先做 预测，会造成识别效率较低、损伤误判等问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种轴向功能梯度梁 的损伤识别方法。该方法是利用残余力向量对轴向功能梯度梁结构损伤进行定位， 之后用包含混合灵敏度矩阵的灵敏度法对损伤程度进行识别。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种轴向功能梯度梁的损伤识别方法，包括以下步骤：

1)用有限元方法将轴向功能梯度梁结构进行简化建模，并把结构划分为nel 个单元；

2)提取损伤结构的频率和模态，根据如下所示的式子得到损伤后结构的残 余力向量f_i，对应得到RFV值：

其中ω_di,V_di分别为损伤结构第i阶测量得到的频率和振型数据，K，M分 别为结构完好状态下的刚度矩阵及质量矩阵；

比较f_i所对应各节点的值，在局部RFV值不等于零的节点所对应的单元， 定义为有可能出现损伤的可疑单元，共有n个可疑单元，并将其损伤参数初值设 为α_i＝1，i＝1,2,…,n，α＝{α₁,α₂,…,α_n}；