[发明专利]基于非线性输出频率响应函数的结构损伤检测方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种基于NARMAX模型(具有外部输入的非线性自回归移动平均模型)和NOFRF(非线性输出频率响应函数)分析方法对工程结构进行损伤检测的新技术，用于健康监测领域。

背景技术

工程结构在环境的侵蚀、材料的老化和载荷的长期效应、疲劳效应和突变效应等灾害共同作用下将出现结构系统的损伤积累，导致结构发生破坏或使用性能下降，极端情况下可能引发灾难性的事故，从而造成巨大的经济损失和社会影响。因此研究工程结构损伤检测方法对于防止恶性事故的发生、减少生命财产损失具有重要的意义。基于此考虑，研究人员做了广泛的研究，也取得了一定的进步，提出了各种各样的损伤检测技术。其中，由于振动测试法具有信号易提取、测点无需苛刻要求的高效性、经济性以及结构动态响应的全局性等优点，许多研究人员均采用振动测试法来对结构进行损伤检测。一般认为结构损伤后，结构的响应会发生变化，如频率变化、振型变化、曲率模态变化、模态柔度(刚度)变化以及模态应变能变化等等。研究人员基于上述不同的参数和理论基础提出了多种基于模态测试数据的损伤识别方法。另外还有基于小波分析，神经网络的结构损伤检测方法等等。

但是，一些学者指出结构的线性特征对结构的变化不敏感。例如，Bovsunovsky AP以及Surace C(Bovsunovsky A.P.，Surace C.Considerations regarding superharmonic vibrations of a cracked beam and the variation in damping caused by the presence of the crack[J].Journal of Sound and Vibration.2005，288，865-886.Bovsunovsky A.P.，Surace C.裂纹梁的超谐共振以及裂纹梁中裂纹引起阻尼改变的考虑[J].声学与振动杂志.2005，288，865-886)指出数值研究结果显示截面面积10-20％的裂纹，固有频率仅仅降低了0.6～1.9％。于是最近一些年，许多学者提出了一些利用非线性振动理论来对结构进行损伤检测的方法。例如，Tsyfanskii(Tsyfansky S.L.，Beresnevich V.I.Detection of fatigue cracks in flexible geometrically non-linear bars by vibration monitoring[J].Journal of Sound and Vibration.1998，213，159-168.Tsyfansky S.L.，Beresnevich V.I.通过振动监测检测几何弯曲非线性杆中的疲劳裂纹[J].声学与振动杂志1998，213，159-168)和他的同事研究梁的振动响应时发现梁的非线性因素对裂纹(即使是非常小的裂纹)非常敏感。Bovsunovsky以及Surce证实了这一点，并且指出非线性因素对裂纹的存在比固有频率或模态振型敏感。1985年，Leontaritis和Billings(Leontaritis IJ，Billings S.A.Input-output parametric models for non-linear systems part I：deterministic non-linear systems[J].International Journal of Control.1985，41，303-328.Leontaritis IJ，Billings S.A.非线性系统的输入输出参数模型，第I部分：确定性非线性系统[J].国际控制杂志.1985，41，303-328)提出了非线性系统的NARMAX模型，并且指出满足一定条件的非线性系统均可用NARMAX模型表示，然后根据辨识得到的NARMAX模型去掉该模型中所有包含噪声e(t)的项，从而得到系统的NARX模型。另外，由于NARMAX可以表示复杂结构系统的动力特性，所以任何结构损伤引起的系统物理特性的改变都会反应在辨识出的NARMAX模型当中。然而大多数情况下，表示结构系统的NARMAX模型并不是唯一的，这表明直接根据已辨识出的NARMAX模型判断被检测结构的状态比较困难。但不管结构系统已辨识出的NARMAX模型具有多少不同的表达形式，不管NARMAX模型有多复杂，只要正确获得了系统的动力特性，系统的频域表示都是唯一的，例如广义频率响应函数(Billings S.A.，Tsang KM.Spectral analysis for non-linear systems，Part I：Parametric non-linear spectral analysis.Mechanical Systems and Signal Processing.1989，3，319-339.Billings S.A.，Tsang KM.非线性系统的谱分析，第I部分：参数非线性谱分析[J].机械系统与信号处理.1989，3，319-339)。然而由于广义频率响应函数的多维性，这使得它在实际应用中遇到了很大的困难。为了克服广义频响函数在实际应用中遇到的这些困难，近年来Lang和Billings(Lang Z.Q.，Billings S.A.Energy transfer properties of non-linear systems in the frequency domain[J].International Journal of Control.2005，78，345-362.Lang Z.Q.，Billings S.A.非线性系统在频域的能量传递特性.国际控制杂志.2005，78，345-362)提出了一个新的频域概念，即非线性输出频率响应函数(NOFRF)，NOFRF各阶次的函数都是一维的，在实际工程应用当中比广义频率响应函数更加容易，而且计算起来也较方便。