浅谈结构工程上健康监测的几种常用方法

1、浅谈结构工程上健康监测的几种常用方法    关键词： 健康监测;损伤检测;神经网络法;遗传算法； 论文代写网引舀上木下程结构健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应，以达到检测结构损伤或退化的一此变化。理想的健康监测与损伤检测方法应能在结构损伤出现的较旱时期发现损伤，在传感器精度允许的情况卜确定损伤的位置，估计损伤的程度，少手预测出结构的剩余有效寿命。另外此方法应该具备的另一重要性能，是能够区分结构建模误差引起的偏差还是结构损伤引起的偏差。一般结构健康监测系统主要由四个功能子系统组成井通过网络联系进行下作，这四个子系统

2、是传感系统、信写采集与处理系统、通信系统、监控中心和报警设施（见图损伤检测方法可分为局部法和整体法。局部法依靠无损检测对特定构件进行精确的检测、查找，描绘缺陷的部位；而整体法利用结构现场测试信息，评价整体结构的状态，可以间断或连续地评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域局部检测方法需要预先知道结构损伤的大体位置，少手且要求检测仪器能够到达损伤区域，对于大型复杂结构，无法给出整体结构的损伤信息。在大型上木结构下程的健康监测中多综合利用局部法和整体法。局部损伤检测方法检测结构的局部损伤一般使用无损检测技术i_有日测法、回弹法、染色法、光谱法、渗漏试验法、声发射法、射线法、超1结构损伤检测方法结构的

3、损伤检测主要包括4个层次：结构是否发生损伤；对损伤的定位；对结构损伤程度进行评价；对结构的损伤影响及剩余寿命进行估计。日BU关于结构损伤识别的第一层次的研究已经成热，而关于损伤定位与损伤识别人小方而的研究是核心也是难点、声波探测、脉冲回波法、红外线法、热相仪成像法、透地雷达法以及磁泄漏、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。整体损伤检测方法1.2.1基于振动的结构损伤识别方法基于振动理论的结构无损检测方法iji就是通过某种激励，使结构产生一定的振动响应，继而通过测振仪器自接

4、测出激励力与系统振动的响应特性，如位移、速度、加速度等函数的时间历程，然后通过数字信写分析得到系统的模态参数，再根抓结构模态参数的变化判断有无隐患和损伤。其基木原理可以如卜简单分析对于有N个自由度的振动系统一x+l一x）+IK一其中矩阵fMl,fcl,fIl分别表示离散的质m= , Is尼和刚度分布，引，3x，分别表示结构的加速度向m:、速度向m:和位移向m=,f（t）为外部激励。若忽略阻尼，则其特征方程为一。：IM.）。，=。其中。L是第i阶特征伯，电是相应的特征向录。撤然，电是Ml和I的函数，也就是说，由于结构中特定部分的质或刚度损失引起的Ml , fIl的仃何变化，都将在自振频率和振型的

5、测m:伯中有所反映。即由于结构中特定部分的质m:和刚度损失而引起的模态参数变化，都将在模态测m:中有所反映。当系统的模态测m:伯与未存在隐患的系统模态伯之间出现了差异时，就表示出现了损伤或破损，进而可以确定损伤的位置及程度。基于振动理论的结构损伤检测方法按照识别区域可以分为时域法和频域法；从研究和应用的角度可以分为模Jt!J修正法和动力指纹分析法。该方法的优点是可将外界因索作为结构的振动激励源，损伤的检测不影响结构的正常使用；需要的模态信息少，无需质m:归一化的振Jt!J，也不需要结构转动自由度的测试信息i;i但是由于结构动力特性的检测精度不足，导致该方法的精度不高。基于统计模式识别方法统计模

6、式识别基木原理i5i简单分析如卜：有相似性的样木在模式空间中互相接近，JI=形成“集团”，即“物以类聚”，其分析方法是根抓模式所测得的特征向录X，=XU>Xz>   >X川，将一个给定的模式归入C个类。>w=>.，。中，然后根抓模式之间的距离函数来判别分类。其中，T表示转置；N为样木点数；d为样木特征数它的优点是自接利用时程观测响应，考虑环境因索和运行状态的变化，在无需结构模型的BU提卜，通过对观测响应的统计分析提取结构状态/损伤敏感特征来检测结构状态退化或损伤叫利用统计模式识别方法检测结构状态或损伤，其状态/损伤敏感特征的提取一般来自于能够表

7、征结构状态的模式向，而这此模式向m:的生成则来自于统计模Jt!J（回归模Jt!J、自回归模lt!J、外源自回归模lt!J等）对观测数抓（特征信写）的统计分析。状态/损伤敏感特征通常是多维向m:，多维向m:中各参数的重要性往往是不相同的，且各参数也不相互独立，不但会使检测的下作m:增大，而且也给检测带来了困难。川此，需要通过数抓降维的方法从中挑选具有代表性的有效的成分构成新的低维特征向m:进行检测。状态/损伤敏感特征一日提取，检测结构异常状态的主要仃务就是对这此特征进行统计分析，依抓某种判别函数或判别依抓进行状态分类。根抓所使用基木统计推断原理的不同，结构健康诊断中的统计模式的识别方法可以归纳为

8、两大类：Baves模型修正法和随机有限元模型修正法。神经网络法神经网络法iii是由大录神经元之间通过连接权系数相连而形成一个完整结构。其用于损伤检测的基木原理是对结构进行正问题分析，获得结构在不同损伤状态卜的动力特从而构造神经网络的学习样木集，然后将样木集送人神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，得到用于结构损伤检测的神经网络，将待检测结构的动力参数输入网络，就可得出损伤信息。在神经网络中，信息处理是通过神经元之间的相互作用来实现的，只是信息的存储表现为网络元件互连问分布式的物理联系。学习与检测取决于神经元与连接的动态演化过程，神经网络具有较强的容错性、鲁棒性、联想记忆功能以

9、及非线性性能，因而在控制、优化、检测等领域被）泛应用。神经网络法不仪适用于线性系统，尤其适用于非线性系统，它比模态修正法及信写处理法的适应性更强，其另一个优点是处理环境振动的能力很强，省略了激振设备，更容易应用于下程实际中。神经网络模型多种多样，可从不同角度对生物神经系统进行不同层次的描述和模拟，缺点就是网络结构复杂。其典型的神经网络模型有感知器、多层映射BP网络，RBF网络、双向联想记忆模型等。运用这此网络可以实现函数遍近、数抓聚类、模式分类、优化计算等功能遗传算法遗传算法是一种基于自然遗传和自然选择机理寻优的方法，它模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种

10、通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它最初由美Michigan大学J.Holland教授，于1975年肖先提出来。由于损伤识别可归结为参数识别问题，因此通常采用最优化方法确定与实测数抓最匹配的参数。遗传算法是优化方法的一种将其引入损伤评估的最优化方法中，在测试获取信息不多的情况卜，能迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分去失时，遗传算法寻优能力妊毫不受影响。遗传算法只需计算各可行解的日d伯而不要求日d函数的连续性，也不要求可微，不需要梯度信息，JI=采取多线索的井行搜索方式而且它的搜索始终遍及整个解空间，因而不会陷入局部最小，容易得到全局最优解，对线性问题和非线性问题同样有效，且使用方便，

11、鲁棒性强川该方法的不足之处，没有能够及时利用网络的反馈信息，故算法的搜索速度比较慢，要得要较精确的解需要较多的训练时间；对初始种群的选择有一定的依赖性，能够结合启发算法进行改进；少I'行机制的潜在能力没有得到充分的利用，这也是当BU遗传算法的一个研究热点方向。新型结构损伤检测技术光纤传感检测技术光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信写（被测m:）的新Jt!J传感技术。光纤传感包含对外界信写（被测m:）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感）是指外界信写按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参m:，如强度（功率）、

12、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测m:光参m:的变化即“感知”外界信写的变化。这种“感知”实质上是外界信写在光纤中传播的光波实施调制。所谓传输是指光纤将受外界信写调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信写从光波中提取出来井按需要进行数抓处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方而的技术。上木下程中的结构监测已经成为光纤传感器应用的最话跃领域，其中光纤光栅传感器被应用的较多。结构参数的测m:对桥梁、隧道、大坝和高层建筑等下程的维护至关重要。通过测m:建筑物的应变分布，可以预知局部荷载的状态。光纤光栅传感器既可贴在已有结构的表而，也可以在浇筑时埋入结构，从而实现对结构的实时测m:

13、 ,监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成传感网络对结构进行检测，传感信写可远程接入中心监控室进行分析、处理。因此，在上木下程中，光纤传感器已商品化，成为了结构监测的重要手川压电智能传感检测技术压电材料'2是上木下程中常见的智能材料的一种。压电材料是指当某此物质沿其某一方向施加压力或拉力时，其两个对立的表而上会产生符写相反的等m:电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态，这种机械能转换为电能的现象称之为“正压电效应”。反之，在某此物质的极化方向施加电场，该物质会产生机械变形，当去掉电场后，该物质的变形随之消失，这种电能转换为机械能的现象称之为“逆压电效应”。具

14、有明H4V压电效应的材料称之为压电材料。基于压电智能材料的结构损伤诊断与健康监测，克服了传统传感器监测的不足，不但能够灵敏地检测到损伤的产生，而且能够定位损伤井表征损伤程度。损伤诊断过程可以归纳为：信写测m:;提取特征信写；建立典lt!J损伤特征库；检测损伤位置、类1=J ,程度。从而对关键或重要结构的危险截而进行实时健康监测，尽旱探测或监测到结构中存在的细微损伤'压电智能传感系统：压电传感器按照一定的方式女装到结构上，对所测得的电信写进行分析，从而获得结构运营状态的各种信息，达到对结构进行诊断、监测和评估的日的（即形成智能监测系统），使结构成为具有自感知、自诊断的智能结构对于上木下程

15、而言，压电智能材料结构系统及其应用技术的兴起不仪意味着结构功能的增强结构使用效率的提高和结构设计形式的优化，更重要的是对传统上木下程的结构设计、建造、维护、使用及控制等许多观念的更新。缺点是由于一此常用的压电材料易出现损坏，例如压电陶瓷属于脆性材料，在上木下程结构施下中容易损坏，而且压电传感器的金属封装也存在腐蚀问题结束语日BU上木下程损伤检测的研究动态来看该技术的未来发展方向上有比较重要的意义和迫切性大Jt!J复杂结构的各种非线性因索，使得神经网络和遗传算法在结构的健康检测和诊断方而具有良好的应用景；小波分析具有刻画信写局部特征的“数学H4V微镜”功能，在数抓的处理方而具有非常明H4V的优势。发展更可靠的损伤判别指标，该指标不会发生误判及漏判。研究试验参数变化、环境参数变化对结构损伤检测的影响。不依赖外部激励源的损伤检测的研究。寻求通用的损伤m:化指d。在基于振动的故障诊断和预测中，要求不论信写