基于波传播和阻抗特性的裂纹梁损伤识别.pdf

第25卷第3期 振动、i贝0试与诊断 V01．25No．3 2005年9月 Sep．2005 of JournalVibration，Measurement＆Diagnosis 基于波传播和阻抗特性的裂纹梁损伤识别 王丹生 朱宏平 (华中科技大学土木工程与力学学院 武汉，430074) 摘要基于结构振动波传播理论，讨论了在简谐力作用下，裂纹简支梁的弯曲波动解。为了描述由裂纹引起的梁中 波传播的不连续特性，引入弯曲弹簧模型来模拟裂纹，并在此基础上提出了利用梁结构驱动点阻抗特性的裂纹损 伤识别方法。以一裂纹简支梁为例进行了数值分析，得到了裂纹简支梁的驱动点阻抗特性曲线。从该曲线可以发 现，梁的第一阶谐振频率和反谐振频率都随裂纹的出现而减小，并且频率减少量随裂纹尺寸的增大而增加。结合裂 纹梁第一阶谐振频率与驱动点位置关系曲线，利用曲线上出现的突变点，准确地识别了梁的损伤状态和裂纹损伤 位置。最后，利用已识别的裂纹位置和第一阶固有频率定量地识别了裂纹尺寸。 关键词 波传播 弯曲弹簧模型 阻抗裂纹梁损伤识别 中图分类号0327 混凝土：悬臂梁构件的损伤位置和损伤程度邛]。 引 言 本文基于波传播理论，对裂纹梁结构的机械阻 抗特性进行了分析，提出了一种利用机械阻抗特性 结构的损伤往往表现为结构裂纹的出现和扩 曲线，结合裂纹梁第一阶谐振频率和固有频率进行 展，结构裂纹的存在必将导致结构物理参数的改变 裂纹识别的损伤识别方法。文中所研究的梁结构为 和动力特性的变化，在某种程度上决定着结构的可 等截面欧拉经典梁，为了讨论的方便．假定梁截面中 靠性和安全性。因此，对含裂纹结构进行振动特性分 的裂纹属于开放型不扩展裂纹．不考虑梁振动时裂 析和损伤识别就显得十分重要。近年来，已有很多学 纹的闭合效应，并且认为裂纹部分的开裂深度相同。 者利用结构动态响应数据对裂纹梁结构进行了损伤 在研究过程当中，为了表征裂纹引起的振动波传播 识别研究EL-4]。由于结构的机械阻抗或者频率响应 的不连续特性，用弯曲弹簧模型对梁中的裂纹进行 函数具有对损伤的高敏感性，使得它逐渐成为人们 模拟。最后通过对一裂纹简支梁的数值分析，验证了 广泛关注和研究的损伤识别指标。Cawley讨论了用该识别方法的有效性。 机械阻抗进行无损检测的物理基础，他把分层损伤 看作一个弹簧，研究了多层粘结结构发生分层损伤 裂纹简支梁的弯曲波动解 时的结构阻抗变化，发现损伤处阻抗的理论预测结 如图1和图2所示，裂纹简支梁长为L。，在z= 果与实验结果是一致的[5]。Prabhakar等研究了一 个发动机轴承表面的裂纹对其机械导纳的影响，结 L，处出现裂纹，简谐力分别作用在裂纹的左边和右 果表明，裂纹的存在使得轴承的机械导纳发生了明 边，力作用点的坐标为．r—L。依据振动波传播理论， 显的变化，而且随着裂纹深度的变化以及所施加力 施加在梁上的简谐力和梁中出现的裂纹均会导致梁 方向的改变，其机械导纳变化的幅度也呈现出一定 波传播的扰动和不连续。因此，以力作用点和裂纹处 的趋势。作者利用这一特性对发动机轴承表面的裂 作为分界点，可把梁划分为图中所示的3段连续波 纹进行了检测和监控¨]。Bamnios等也利用结构的