文摘

倾斜的损伤诊断测试电缆、钢管、球壳,一个实际斜拉桥进行了基于提出的乐音法律方法。结果表明,乐音法律方法可用于各向同性材料结构的损伤诊断与简单的形状,如电缆、管道、盘子,和贝壳。有不同的谱线像梳子一定间隔分布规律的主要特点是音乐基调。损伤检测基线可以量化模态之间的拟合关系建立的订单和对应的频率值。这种方法的主要优势是,它可以用于结构损伤检测没有一个完整的结构振动信息作为参考。

1。介绍

结构损伤检测是一个古老而新颖的技术。在过去,视觉检查被用来检测结构损伤由训练有素的工程师。然而,这种传统方法可能会非常昂贵或效率低下1]。Vandiver[以来2]研究了钢铁的失败灯塔结构动态变化的频率在1975年,使用模态属性损伤检测方法如固有频率和模态形状,可以获得传感器的结构,被广泛讨论,以评估结构完整性。

各种研究之后提出促进这一领域的发展。一般来说,过去的研究有三个主要特点。首先,对信号处理主要是研究算法,如神经网络算法、遗传算法,简要地算法,和教育津贴的方法(3- - - - - -6]。第二,设备损伤检测的发展,如光纤传感器和无线传感器(7,8]。此外,重大工程中的应用是近年来也进行了9,10]。

毫无疑问,结构破坏时结构刚度明显降低。然而,频率的平方与刚度成正比,所以,当受损结构刚度的衰减,频率的变化并不明显,这已经证明了许多研究工作11- - - - - -15]。一个基线也需要判断频率降低。然后,有限元分析模型或测试结果完整的结构通常是用作健康基准。对可靠性和测量精度的原因,实际应用中面临许多困难。找到一个有效的方法来检测结构损伤的进一步分析频率信息会有一个有意义的理论和应用价值。

基于乐音法律方法,三种典型结构,包括电缆和横向振动,相对于钢管纵向振动,并与平面外球壳振动,振动进行了测试和损伤检测。完整结构的频率分布和结构不同受损水平进行了收集和分析。和一个方便的和有效的标准建立了损伤诊断。此外,该方法的应用程序在一个实际斜拉桥进行了测试。在进入细节关于应用程序项目之前,一些基本的考虑乐音法律方法介绍如下。

2。乐音法律法

声波振动的传播在空气中。音乐音调的结合基波和谐波,谐波的频率之间的比例和基波是一群普通的常数。小提琴弦音的傅里叶频谱图所示1。注意频率1日,2日,4日和8日秩序表现为乘法分布,它是符合法律的音乐基调。在听觉意义上,会议上面的法律是悦耳的声音;否则,它总是残酷的。有不同的谱线像梳子一定间隔分布规律的主要特点是音乐基调。

在过去,陶瓷板的质量测试是使用音乐基调。把测试完整的和损坏的陶瓷板也进行了。三个相同的陶瓷盘子批选为测试标本。样品1和样品2完好无损;标本3有一个轻微的径向裂纹,如图2。冲击振动的时间历史和傅里叶谱的标本1、2和3是如图3。有很大的区别的声音信号完整和损坏的板。完整的板声音的持续时间大约是0.6秒,而受损的一个只有0.1秒。完整的板利用的频谱是类似于乐音截然不同的和常规的谱线,而损坏的板利用模糊谱线。此外,完好无损的盘子,谱线的顺序和频率之间的关系价值保持不变水龙头的位置。损坏的板,改变不同的抽头位置的关系,但主要功能保持不变。

它可能会提出一个新的方法来探索损伤后结构频率的变化。的完整结构分布频率可以作为损伤检测的基准。在机械原理、陶瓷板壳结构,类似他们都遵循类似的振动准则。研究还发现,一线和二维弹性结构频率与普通形状清晰,有一定的时间间隔分布。和这一现象,叫乐音法律方法,可以用于结构损伤检测。基于这一认识,三种类型的模型结构和一个实际工程测试本文和基线和应用范围进行了研究。

3所示。倾向于电缆损伤诊断测试

斜拉桥和悬索桥是两个重要的桥梁结构系统,钢丝绳的最重要的一个成员。如果腐蚀或磨损发生在电缆,整个桥梁的安全就会受到威胁。以下测试将研究的应用音乐拖电缆中的法律方法。LC0405T压电加速度计,NEXUS2692-OS4电荷放大器,SigLab20-42数据采集仪器被用于所有的振动测试。和分辨率设置为0.0625赫兹。

斜电报被收紧了在实验室中模拟实际的力状态,和两个测试用例,也就是说,完整和损坏的电缆测试。电缆是由一个核心纤维和6覆盖28米的电线与总长度,直径10 mm,单位质量的0.385公斤/米。损坏的电缆是通过削减3覆盖中跨线切的长度2.8米,如图4。电缆的两端是固定的,分别在顶部的反应墙和地板,如图5。串联式拉伸弹簧的张力是用于监控电缆,如图6。测试模型如图的概述7。损坏电缆的等效截面积的95%完好无损。受影响的电缆的张力是4.5 kN,受损的张力是设置为4.25 kN。

脉冲激励是由敲门的电缆激动人心的锤。加速度计也安装在1/3部分远离有线监控横向振动的根源,如图8。串联式拉伸弹簧的刚度是标准化的测试之前。五倍的振动信号与40年代期间收集,和转换后的autopower谱进行了分析。

电缆的频率是一个问题的理论解非线性振动;许多方法研究解决这个问题(16- - - - - -19),如拟合方法和有限差分法。跑和李20.)利用奇异摄动法解非线性动态方程并通过测试和数值模拟验证了这个方法。建议分析斜电缆两端固定的表达了 在这表示模态订单,是电缆的平均力,是质量/联合电缆长度,EI电缆的抗弯刚度,电缆长度,是修正项,ξ是电缆下垂。和美商和第五届(1)是边界条件的修正。斜电缆两端铰接的表达式可以开发

灵活的电缆长度较短,过去两届(2)可以忽略作为一个近似方法。然后,频率可以解决(3)[21),是有线电视的力量,l电缆的长度,米是质量/联合电缆的长度。然而,随着凹陷长电缆的影响是显著的,第二项(2)使用时不能忽略长电缆。

试验结果如表所示1。倾向于电缆的频率振动主要表现为乘法分布,这表明的可靠性(3)基于近似方法基本上是满意的。振动测试的实际长电缆,相对于频率不能安装乘法分布,并研究部分6表明,频率大约可以视为在指数分布。Autopower光谱的电缆振动显示为数字9和10。结果表明,完整的电缆具有明显的和常规的谱线。而损坏电缆的谱线间隔改变,周围的耦合能量的频率增加。图11显示邻近的频率间隔和模态之间的关系订单。损坏的电缆,邻近的频率间隔相当多变,不再平等。注意,损坏电缆的频率比的完整的人,不同意传统情况下,受损的结构刚度较低。这种现象可以解释为(3)。损坏的电缆是通过削减3覆盖钢丝绳与削减中跨2.8米的长度,每长度统一质量比完整的轻。因此,损坏的电缆有一个更大的频率。和同样的情况将在下一节中,也就是说,钢管的测试。

4所示。损伤检测钢管的测试

一维的钢管进行损伤诊断测试,和纵向振动兴奋敲管道收集结束。测试模型连续空心管道长度为9500毫米,外部直径61.2毫米,内径51.2毫米,如图12(一个)。样品是完好无损,而在受损的模型中,试样B是通过削减部分完整的管道中跨的减少30毫米100毫米的长度和深度,如图12 (b)。敲激发管一端是由激动人心的锤子,和一个压电加速度计安装表面的管道监控纵向振动,如图12 (c)。频域内分析了2 kHz。

钢管的纵向振动频率可以解决(4),横向振动频率可以解决(5)基于经典力学22,23]。 在哪里是订单的模式,EI抗弯刚度吗, 波速,是截面积,这可以解决吗,在那里E钢的弹性模量(2.1×10⁵N /毫米²),ρ钢的密度(7850公斤/米³)。请注意,(5由()可以推导出2)如果美商术语(2)保存。这是因为轴向力是零,和垂度效应可以忽略,而抗弯刚度影响管道的横向振动非常重要。在本节中,纵向振动测试。然后,理论基本频率的完整的钢管可以解决272 Hz。固有频率显示为乘法分布。

Autopower光谱显示管道的振动数据13和14。完整的钢管(图的谱线13)是不同的和定期的间隔,乐音后法律。而受损的谱线管变得不规则,一些频率甚至很难被识别。本文作为一个完整的管可以作为一个参考,我们选择的频率峰值频率峰值周围的受损管道完好无损的管道。此外,振幅下降指数与完整的管道。

上面的测试结果表明,乐音法律方法能有效地检测结构损伤。顶部seven-order频率如表所示2。图15显示邻近的频率间隔和模态之间的关系秩序。谱线的完整的管理论等距分布,而这些损坏的管道,而多变。所以,结构损伤可以被量化的分布频率基于乐音法律方法。

5。钢壳损伤诊断测试

近年来壳结构应用的增加,和连续弹性壳总是在动态分析中,采用刚性接头、小变形、弹性假设也接受(24]。所以,乐音法律方法可用于大规模的壳结构的损伤诊断。本节和小规模的壳模型进行了测试。

测试模型是两个球形钢壳半径为1000毫米,厚度为4毫米,250毫米的崛起。四个加速度计安装对称边缘的壳,如图(16日)。图16 (b)显示了测试仪器,上面的测试一样。径向截口是人为地在一个壳模拟损伤情况下,如图17,切口的大小是1毫米×40毫米。

两个5公斤的重量与壳沿直径的两端字符串,它旨在设定一个初始变形。然后,自由振动通过燃烧琴弦突然很兴奋。图18显示了两个贝壳的谱线。测量频率如表所示3。注意,完整的壳的频率不再遵循等距分布。测量频率进行指数拟合;结果如图19。拟合优度指数被用来评估拟合和计算(6)。的值在0和1之间。的价值接近1,拟合善更令人满意。在(6),是实际的价值;是在拟合曲线的值。方程(7)和(8)的拟合函数完整的和损坏的壳,在其中表示模态和秩序表示频率的值。

结果表明,特殊的完整的壳是不同的,而多峰现象的主要频率是相当明显的损坏外壳。实际上,损坏的频率峰值壳很难选择。本文作为一个完整的壳可以作为一个参考,我们选择的频率峰值频率峰值周围的损坏外壳完好无损的壳。虽然安装完整的和损坏的壳更近99.93%和99.62%,受损的是多峰的谱线,comb-like分布不相符合,这类似于陶瓷板测试图3。所以,径向破坏可能检测到基于乐音的法律方法。在测试期间,敲打的声音完整的壳是嘹亮的和永久的,而损坏的壳是沮丧和匆忙。这一现象同意把测试的陶瓷盘子,乐音的法律提出了方法。

6。基线的乐音法律方法和工程应用

在上面的测试中,小规模的振动斜电缆和钢管钢壳的是一维的,二维的。结果表明,频率的小规模斜电缆和钢管出现乘法分布,和邻国之间的间隔频率是相等的。表现为指数分布的二维频率贝壳。悬臂梁在弹性力学理论频率也存在等距分布。总之,乐音法律方法可用于各向同性材料结构的损伤诊断与简单的形状,如电缆、管道、盘子,和贝壳。一般来说,一维振动结构的频率存在乘法分配,而二维振动结构呈现指数或对数分布。因此,拟合优度可以作为一个基线的损伤检测。

上述方法的应用研究在实际的斜拉桥。长电缆频率的理论解决方案表明,模态之间的关系顺序和频率值是指数分布。测试了宋元桥是斜拉桥总长度为2546.5米。在中跨两个对称的桥塔建成。桥的概述图所示20.。振动测试的两个对称电缆进行了塔的两侧,两电缆和测试结果几乎是一样的。测试仪器包括数据采集、电荷放大器和压电加速度计都是上面的模型试验(图一样21)。采样带宽设置为200 Hz,决议设定为0.0156赫兹,和采样时间设置为200年代。傅里叶谱的时间历史信号如图22。表4显示了十大电缆的频率。拟合曲线的模态之间的关系如图顺序和频率值23。拟合函数和善良所示

测试和拟合结果表明,谱线是不同的,像一个梳子,频率表示为指数分布,拟合优度是超过99.9%。乐音的例子表明,基线法的损伤检测方法可用于实际工程。

7所示。结论

基于乐音法律的现象,损伤诊断测试的三个简单的模型和一个实际斜拉桥进行了。下面的测试结果得到的结论和进一步分析。(1)乐音法律方法可用于各向同性材料结构的损伤诊断与简单的形状,如电缆、管道、盘子,和贝壳。的频率线以上完整的结构是不同的,像一个梳子。和多峰现象主要受损结构频率是相当明显的。(2)一般来说,一维振动结构的频率,如管道、乘法分布,而二维振动结构,像贝壳和长电缆,目前指数或对数分布。结构频率的分布特性,拟合善可以作为一个基线的损伤检测。和损伤水平可以通过拟合善的价值量化的同类的结构。(3)这种方法的主要优势是,它可以用于结构损伤检测没有一个完整的结构振动信息作为参考。研究和应用上述方法在实际的斜拉桥。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持这项研究提供了中国国家自然科学基金(授予号。51608287,51608287,51508295),山东省自然科学基金(批准号ZR2016EEP17),泰山学者重点学科人才小组项目资助的聊城市。特别感谢将提供财政支持的项目来完成这个项目。