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        基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別方法

        2022-09-03 03:56:56鄒云峰盧玄東陽(yáng)勁松何旭輝
        工程力學(xué) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:幅值重構(gòu)模態(tài)

        鄒云峰,盧玄東,陽(yáng)勁松,何旭輝

        (1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南,長(zhǎng)沙 410075;2. 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南,長(zhǎng)沙 410075;3. 軌道交通工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南,長(zhǎng)沙 410075)

        土木結(jié)構(gòu)的性能在其運(yùn)營(yíng)階段會(huì)隨著時(shí)間推移而下降,從而影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1-2]。土木結(jié)構(gòu)損傷形式多樣、損傷位置隱蔽,由于土木結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、尺度大等特點(diǎn),很難對(duì)土木結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,若放任損傷不斷發(fā)展,很有可能導(dǎo)致重大安全事故,因此開展土木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究具有重要意義。

        現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的基本原理是,損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物理特性的變化,該變化會(huì)反映在實(shí)際測(cè)量的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中,通過(guò)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別[3-5]。損傷識(shí)別方法可大致分為3 種:一是頻域方法[6-8],主要識(shí)別參數(shù)包括頻率、振型和曲率模態(tài)等,該方法需要在頻域上識(shí)別模態(tài)參數(shù),具有一定的復(fù)雜性且難以保證計(jì)算精度;二是時(shí)域方法,如基于響應(yīng)靈敏度的識(shí)別方法[9-10],此種方法需要通過(guò)外部激勵(lì)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)系來(lái)進(jìn)行損傷識(shí)別,具有數(shù)據(jù)量充足、識(shí)別精度高的特點(diǎn),但需要準(zhǔn)確的外荷載信息,而實(shí)際結(jié)構(gòu)的外荷載通常難以獲??;三是時(shí)頻域方法,如基于小波包靈敏度的識(shí)別方法[11-12],此種方法同樣需要獲取外荷載信息,而且在時(shí)頻域上進(jìn)行的正向運(yùn)算和反向運(yùn)算,其計(jì)算效率較低,過(guò)程繁復(fù)。

        針對(duì)以上問(wèn)題,本文將動(dòng)態(tài)響應(yīng)重構(gòu)方法引入損傷識(shí)別中,通過(guò)已有的測(cè)量信息去獲取全局的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng),從而解決需要已知外部載荷的局限。Ribeiro 等[13]針對(duì)多自由度系統(tǒng)提出一種基于廣義傳遞矩陣的響應(yīng)重構(gòu)法,在頻域內(nèi)建立兩組響應(yīng)的傳遞矩陣,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)待測(cè)點(diǎn)的重構(gòu)工作;Law 等[14-16]基于頻響函數(shù)將上述位移傳遞率推廣至加速度傳遞率,完成了全模型或模型子結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)重構(gòu)。He 等[17-19]提出一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的時(shí)域響應(yīng)重構(gòu)方法,該方法通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性構(gòu)建傳遞矩陣,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法和模態(tài)疊加法得到未安裝傳感器位置的動(dòng)力響應(yīng),相對(duì)于頻域重構(gòu)方法,該方法具有更高的計(jì)算效率。目前,時(shí)域重構(gòu)方法僅用于無(wú)損傷結(jié)構(gòu)的響應(yīng)重構(gòu),若結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷而引起結(jié)構(gòu)參數(shù)改變,使用原本的傳遞函數(shù)重構(gòu)得到的響應(yīng)必然與真實(shí)響應(yīng)存在差別,通過(guò)利用這種差異性結(jié)合有限元更新方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別[20-21]。

        本文結(jié)合基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的響應(yīng)重構(gòu)方法,提出一種基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別方法。該方法根據(jù)傳感器采集的響應(yīng)信息直接分解得到的模態(tài)響應(yīng)和使用無(wú)損傷模型的應(yīng)變模態(tài)重構(gòu)得到的模態(tài)響應(yīng)的差異作為有限元模型修正的依據(jù),通過(guò)應(yīng)變模態(tài)比值構(gòu)建的傳遞率的靈敏度矩陣進(jìn)行迭代運(yùn)算,求得損傷位置及損傷程度。由于該方法不需要獲取外部激勵(lì)信息,且在時(shí)域中進(jìn)行,無(wú)需進(jìn)行頻域的相關(guān)計(jì)算和時(shí)頻域轉(zhuǎn)換,關(guān)鍵信息的獲取方便快捷。最后,通過(guò)連續(xù)梁的單一損傷識(shí)別和多損傷識(shí)別驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性,并討論了不同等級(jí)的測(cè)量噪聲和模態(tài)階次的選取對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響。

        1 基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別理論推導(dǎo)

        1.1 基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的應(yīng)變重構(gòu)方法

        使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)法處理時(shí)域信號(hào)的方法分解傳感器的測(cè)量響應(yīng),可以將測(cè)量響應(yīng)近似表示為:

        1.2 基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的有限元模型修正

        將損傷識(shí)別問(wèn)題表述為使實(shí)際結(jié)構(gòu)和有限元模型之間有關(guān)結(jié)構(gòu)特性的信息差異最小值問(wèn)題:

        基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別方法,其基本流程如圖1 所示。

        圖1 損傷識(shí)別流程圖Fig. 1 Flowchart of damage identification method

        2 數(shù)值模擬分析

        2.1 連續(xù)梁損傷識(shí)別

        通過(guò)連續(xù)梁仿真案例以驗(yàn)證本文提出的基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別方法。用于數(shù)值模擬的連續(xù)梁有限元模型如圖2 所示,該連續(xù)梁彈性模量為210 GPa,密度為7850 kg/m3,長(zhǎng)、寬、高分別為3 m、0.06 m、0.03 m。采用ANSYS 建立有限元模型,單元類型為beam3 單元,共有31 個(gè)節(jié)點(diǎn),30 個(gè)單元,每個(gè)單元長(zhǎng)為0.1 m,從左往右分別給節(jié)點(diǎn)編號(hào)1~31,單元編號(hào)1~30。無(wú)損傷狀態(tài)下連續(xù)梁的前5 階自振頻率分別為20.85 Hz、32.48 Hz、83.38 Hz、105.32 Hz、187.61 Hz。對(duì)該連續(xù)梁模型設(shè)置多組損傷工況,損傷工況主要考慮連續(xù)梁容易發(fā)生損傷的部位,如跨中和支座附近部位,以此來(lái)驗(yàn)證所提出的損傷識(shí)別方法的可行性,損傷工況的設(shè)置如表1 所示。

        表1 損傷工況Table 1 Damage condition

        圖2 連續(xù)梁模型Fig. 2 Model of continuous beam

        由理論推導(dǎo)可知,本文損傷識(shí)別方法與外界激勵(lì)無(wú)關(guān),將幅值在一定范圍內(nèi)的豎向沖擊荷載施加于連續(xù)梁的8 號(hào)節(jié)點(diǎn)上。應(yīng)變片布置在每個(gè)單元上部中心位置,采樣頻率為1 kHz,如圖2 所示。選取結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)期間1 s 的響應(yīng)信號(hào),提取一階模態(tài)響應(yīng)并根據(jù)式(9)~式(11)得到差異向量。在這里需要注意的是,對(duì)于多組應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù),可以有不同種重構(gòu)方式組合,在該數(shù)值模擬中,經(jīng)過(guò)多次對(duì)比發(fā)現(xiàn),重構(gòu)方式組合只會(huì)在存在噪聲的情況下對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生影響,且該影響較小,在此不予討論。

        為了提高識(shí)別精度,迭代求解加入了自適應(yīng)Tikhonov 正則化方法[22],識(shí)別結(jié)果如圖3 所示。

        圖3 損傷識(shí)別結(jié)果Fig. 3 Damage identification results

        從圖3 可以看出,預(yù)設(shè)損傷的單元的識(shí)別結(jié)果與實(shí)際預(yù)設(shè)損傷量較吻合度很高,并且未預(yù)設(shè)損傷的單元上的錯(cuò)誤識(shí)別很小,可以忽略不計(jì)。無(wú)論是單個(gè)損失還是多個(gè)損失的情況,識(shí)別結(jié)果都令人滿意。

        2.2 噪聲對(duì)損傷識(shí)別的影響

        結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量不可避免地存在噪聲,在本研究中,將白噪聲添加到每一個(gè)單元的應(yīng)變中,以研究噪聲對(duì)損傷識(shí)別的影響。測(cè)量噪聲是高斯脈沖過(guò)程,其均方根設(shè)置為應(yīng)變最大均方根的百分比。這里使用噪聲等級(jí)來(lái)表征噪聲程度,即添加到應(yīng)變中的噪聲是應(yīng)變最大均方根值等同于噪聲等級(jí)的高斯過(guò)程。結(jié)合連續(xù)梁數(shù)值模擬案例,分析不同噪聲等級(jí)對(duì)損傷識(shí)別的影響(噪聲等級(jí)分別為5%、10%、和15%)。

        為了更好地對(duì)比說(shuō)明噪聲對(duì)該案例中連續(xù)梁的損傷識(shí)別的影響,對(duì)無(wú)損傷的連續(xù)梁作不同噪聲等級(jí)下的損傷識(shí)別。考慮到高斯白噪聲的隨機(jī)性,在研究噪聲對(duì)損傷識(shí)別的影響時(shí),對(duì)損傷工況1、2、5 和6 各設(shè)置1000 個(gè)對(duì)照組,每個(gè)對(duì)照組隨機(jī)生成不同的應(yīng)變測(cè)量噪聲。由于迭代求解中加入了自適應(yīng)Tikhonov 正則化方法,各個(gè)單元損傷因子的識(shí)別值均小于0。用伽馬分布擬合全部1000 個(gè)對(duì)照組識(shí)別結(jié)果中的各個(gè)非預(yù)設(shè)損傷單元損傷因子識(shí)別值,用高斯分布擬合預(yù)設(shè)損傷單元的損傷因子識(shí)別值,分別計(jì)算其95%置信區(qū)間。損傷工況1、2、5 和6 在不同噪聲等級(jí)下的各單元識(shí)別損傷因子的95%置信區(qū)間如圖4~圖6所示。

        圖4 5%噪聲下的損傷識(shí)別結(jié)果Fig. 4 Damage identification results under 5% noise

        圖5 10%噪聲下的損傷識(shí)別結(jié)果Fig. 5 Damage identification results under 10% noise

        圖6 15%噪聲下的損傷識(shí)別結(jié)果Fig. 6 Damage identification results under 15% noise

        從圖4~圖6 可以看出,在不同的損傷工況中,噪聲引起識(shí)別結(jié)果的波動(dòng)也不相同,但對(duì)于預(yù)設(shè)損傷值為-0.05 和-0.2 而言,噪聲的影響程度差別不大,并不會(huì)隨著預(yù)設(shè)損傷的增大而增大;由損傷工況1、5、6 的識(shí)別結(jié)果可以看出,隨著噪聲等級(jí)的增大,識(shí)別結(jié)果的波動(dòng)明顯增大,可見噪聲對(duì)識(shí)別存在一定影響。但即使噪聲等級(jí)提升到15%,識(shí)別結(jié)果的95%置信區(qū)間范圍也不超過(guò)0.015,對(duì)于損傷工況1、5、6 而言是完全可以接受的,識(shí)別結(jié)果依舊能很好地反映實(shí)際損傷情況,而對(duì)于損傷工況2 而言,15%噪聲的影響可以忽略不計(jì),可見所提出的損傷識(shí)別方法對(duì)噪聲有較好的魯棒性。

        2.3 不同模態(tài)對(duì)損傷識(shí)別的影響

        前文對(duì)連續(xù)梁的損傷識(shí)別都依據(jù)結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)期間的響應(yīng)進(jìn)行,對(duì)于該連續(xù)梁而言,自由振動(dòng)表現(xiàn)為單頻振動(dòng),而有時(shí)候土木結(jié)構(gòu)響應(yīng)可能受到連續(xù)加持的外荷載作用(如風(fēng)荷載、流水荷載等),此時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)通常包含不同的模態(tài)成分,且本文所提出的方法是基于結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息進(jìn)行損傷識(shí)別的,所以要研究不同模態(tài)對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響。為了使結(jié)構(gòu)響應(yīng)能包含多個(gè)模態(tài)成分,將之前施加的沖擊荷載改為隨機(jī)荷載,該隨機(jī)荷載由6 階低通巴特沃斯濾波器過(guò)濾的均值大于0 的高斯過(guò)程模擬,結(jié)構(gòu)響應(yīng)的各階模態(tài)響應(yīng)可以反映在結(jié)構(gòu)響應(yīng)的頻譜圖上,以16 號(hào)單元應(yīng)變?yōu)槔?,其傅里葉譜如圖7 所示。根據(jù)圖7,這里主要選取有著較明顯幅值的前4 階模態(tài)響應(yīng)來(lái)討論模態(tài)階次的選取對(duì)識(shí)別的影響。

        圖7 16 號(hào)單元應(yīng)變數(shù)據(jù)的傅里葉譜Fig. 7 Fourier spectrum of strain data of Element 16

        需要注意的是,對(duì)于一些應(yīng)變模態(tài)接近0 的響應(yīng),使用EMD 方法提取其模態(tài)響應(yīng)將產(chǎn)生很大的誤差,從而無(wú)法按照式(5)和式(11)進(jìn)行近似替代,因此,對(duì)于結(jié)構(gòu)中某一階應(yīng)變模態(tài)為0 或接近0 的位置的損傷情況,無(wú)法選取這一階應(yīng)變模態(tài)用于識(shí)別該位置的損傷。在避免出現(xiàn)上述情況的前提下,對(duì)表1 中的6 個(gè)損傷工況選用不同的模態(tài)階次進(jìn)行識(shí)別以研究選取的模態(tài)對(duì)損傷識(shí)別的影響。對(duì)比選用各階模態(tài)的識(shí)別結(jié)果,多個(gè)模態(tài)組合如表2 所示。在表2 中,組合1 和組合2 選取的單元模態(tài)響應(yīng)幅值都相對(duì)較大,而組合3 中包含了多個(gè)幅值較小的模態(tài)響應(yīng),這里模態(tài)響應(yīng)的幅值可以通過(guò)各單元同階應(yīng)變模態(tài)值的相對(duì)大小體現(xiàn)出來(lái)。例如,圖7 中16 號(hào)單元應(yīng)變的第一、三、四階模態(tài)響應(yīng)相對(duì)于第二階模態(tài)響應(yīng)而言較小。損傷識(shí)別結(jié)果如圖8 所示。

        表2 模態(tài)組合Table 2 Damage condition

        在圖8 中,模態(tài)組合1、2 的識(shí)別結(jié)果區(qū)別不大。而模態(tài)組合3 包含了多個(gè)幅值較小的模態(tài)響應(yīng),其識(shí)別結(jié)果較差,因此應(yīng)盡量選擇幅值較大的模態(tài)進(jìn)行損傷識(shí)別。此外,相較于圖3 中的識(shí)別結(jié)果而言,在隨機(jī)荷載作用下的識(shí)別誤差有所增大,但在本案例中,即使對(duì)于預(yù)設(shè)損傷因子為-0.05 的單元而言,這樣的誤差依然是可以接受的。

        圖8 不同模態(tài)組合下的損傷識(shí)別結(jié)果Fig. 8 Damage identification results under different modal combinations

        3 結(jié)論

        本文提出了一種基于應(yīng)變模態(tài)響應(yīng)重構(gòu)的損傷識(shí)別方法,開展了連續(xù)梁?jiǎn)我粨p傷和多損傷識(shí)別仿真計(jì)算研究,并探討了測(cè)量噪聲和模態(tài)階次選取對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響,得主要結(jié)論如下:

        (1) 該識(shí)別方法在時(shí)域上實(shí)現(xiàn),不需要進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別和時(shí)頻分析,也不需要獲取結(jié)構(gòu)外部激勵(lì)信息,通過(guò)將傳感器采集的應(yīng)變進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解分解,得到的模態(tài)時(shí)域響應(yīng)信息可直接用于損傷識(shí)別,通過(guò)連續(xù)梁仿真案例驗(yàn)證了該方法的高效性和可行性。

        (2) 噪聲影響的研究表明,噪聲對(duì)損傷識(shí)別影響很小,對(duì)于該案例中的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)而言,噪聲等級(jí)達(dá)到15%,依然能得到較好的識(shí)別結(jié)果。在實(shí)際工程中,應(yīng)變測(cè)量的噪聲等級(jí)通常不超過(guò)10%,該損傷識(shí)別方法在實(shí)際運(yùn)用中對(duì)測(cè)量噪聲具有較強(qiáng)的魯棒性。

        (3) 應(yīng)變模態(tài)接近0 的模態(tài)響應(yīng)無(wú)法進(jìn)行響應(yīng)重構(gòu),從而不能用于損傷識(shí)別。除了上述情況外,模態(tài)階次選取影響的研究表明,幅值較大的模態(tài)更有利于識(shí)別損傷;并且對(duì)比使用隨機(jī)荷載下結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行損傷識(shí)別,使用自由振動(dòng)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)識(shí)別能得到更好的結(jié)果。

        (4) 本文提出的方法,通過(guò)對(duì)比重構(gòu)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的差異,通過(guò)更新有限元模型獲取結(jié)構(gòu)的損傷。在損傷識(shí)別過(guò)程中,需要在損傷單元布貼有傳感器,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的識(shí)別,因此,本方法更適用于對(duì)大型結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域的檢測(cè)。

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