由微元动力平衡扰动辨识结构损伤的理论与方法

Current Vibration-based Global Damage Detection (V-GDD) Methods usually involve the entire structure under inspection, thus suffering from a number of drawbacks: insensitive to small damages, vulnerable to boundary variations and pre-requisite for the intact baseline structures as benchmark. In this project, a novel Vibration-based Local Damage Detection (V-LDD) framework is proposed. Under the guiding principle of "perturbed local dynamic equilibrium - equivalent virtual excitations - damages", the proposed V-LDD canvasses the damage-induced breakage of local dynamic equilibrium of structural elements. This includes the establishment of: a general V-LDD methodology, along with the underlying mechanics model; a weak- form formulation for damage characterization based on reduced differential order; a description of damage-induced dynamic equilibrium under multi-scale wavelet framework; and finally a laser-vibrometer based distributed measurement system for validation. The proposed V-LDD methodology overcomes the inherent dilemma of the existing V-GDD methods in coping the global vibration feature with local structural damages of a structure. Built-up upon a solid mechanics foundation, V-LDD offers an enhanced sensitivity to damages, adaptively to boundary variations and no a priori requirement for benchmark structures. The outcome of the project will contribute to the existing knowledge on structural health monitoring and lay down a solid scientific foundation for its future exploration. The project is deemed to have significant scientific value and great potential for future engineering applications.

目前，基于振动理论的全局性无损检测（V-GDD），一般以结构整体为分析对象，存在对弱损伤不敏感、受边界变化影响大、需无损结构作参照等不足。独辟蹊径，该项目以结构微元为分析对象，引入损伤等效虚拟激励的概念，以"由微元动力平衡扰动→虚拟激励→损伤"为学术路线，探索振动理论框架下的局部性无损检测（V-GDD）新理论及方法，包括提出由微元动力平衡扰动辨识损伤的基本力学原理；基于微元的"弱"动力平衡，构建低阶微分形式的损伤特征量；建立小波框架下微元多尺度动力平衡的扰动机制；建立激光振动分布量测系统，对所提理论与方法进行物理模型实验检验。突破了V-GDD的"由全局动力特性的改变刻画局部性损伤"的局限性，V-LDD拥有对弱损伤敏感、对边界自适应、无需无损基准结构、力学基础坚实等特征。预期成果有望提升现有结构无损检测理论水平，并为发展有效的应用技术提供科学依据，因此，具有重要的科学价值和应用前景。

开展面向工程结构的损伤检测方法研究是预防重大事故发生、提高结构经济效益、降低维护成本的重要手段。本课题开展基于振动和基于导波的损伤检测方法研究。. 基于振动的损伤检测方法研究中推导了“虚拟激励”法的“强形式”损伤特征因子公式，提出了测量参数最优化的方案，并将该方法成功地应用于梁、板和钢筋混凝土结构的检测中。在此基础上，本课题在小波框架下将损伤特征值从一维空间域转换到二维尺度-空间域，建立了小波框架下微元多尺度动力平衡的扰动机制，提出了“弱形式”的损伤检测原理，实现了逐点检测到区域检测的转变。进而，提出了虚拟振动位移法和稀疏边界测量法，研制了含金属芯压电纤维智能传感夹层与激光测振结合的损伤检测系统，在提高损伤检测信噪比的同时，极大地减少了测量所需的点数。为了解决“虚拟激励”法需要借助结构振动微分方程的缺点，本课题提出了基于广义振动模型识别的损伤检测方法，采用扫频激励的方式成功地对蜂窝夹层结构进行了多损伤的识别。. 基于导波的损伤检测方法研究中从线性到非线性的角度，研究了该方法在损伤检测过程中存在问题。针对高速列车结构安全监测的问题，理论分析了车轴厚壁结构中导波的传播机理，并通过实验验证了所提出的导波传播模型。此外，搭建了结构健康监测系统，提出了传感器优化布置方案，在高速列车结构中进行了损伤识别实验。针对线性方法对疲劳裂纹不敏感的问题，研究了非线性Lamb波的损伤检测方法。建立了高阶Lamb波的产生模型，研究了结构裂纹参数对高阶Lamb波幅值的影响，提出了基于归一化高阶Lamb波幅值系数的损伤评估方法。最后，结合线性Lamb波损伤成像方法，本课题提出了一种多元化的损伤成像方案，并通过实验验证了该方法能够对多疲劳裂纹进行成像。