[發明專利]一種用于結構損傷檢測的敲擊掃描方法

有效

• 申請號: 200910083772.5
• 申請日: 2009-05-13
• 公開（公告）號: CN101561379A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 向志海;陸秋海;戴曉瑋;張堯
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/38
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于結構無損檢測領域的技術，特別涉及一種用于結構損傷檢測的敲擊掃描方法。

背景技術

工程結構在制造和使用過程中由于工藝原因或使用載荷的作用，往往會產生一些局部損傷，比如裂紋、凹坑、脫粘等等，這些損傷積累到一定程度就會影響結構的正常使用。為確保結構能夠正常運行，在其交付使用前或服役一段時間后都需要對之進行損傷檢測。比如橋梁在通車前需要進行成橋試驗以確保達到設計要求，在使用期內需要進行定期的常規檢測或不定期的特殊檢測，以便及時發現結構中出現的損傷；再如機翼蒙皮等航空構件，只有其內部的損傷小于規定的程度才能交付使用，而使用一段時間后，又需要對這些構件重新進行損傷檢測以確保今后的飛行安全。

現有的結構無損檢測技術大致可分為局部和整體兩類方法：

(1)局部法通過人的肉眼觀察或借助于X射線、紅外線、超聲波、雷達和磁渦流等儀器進行損傷探測。這類方法雖然對局部區域具有較高的損傷檢測精度，但如果事先不知道損傷的大致區域，要用它們對結構的每個區域進行依次檢測是非常費時的，而且有時結構還存在儀器所不能達到的死角。

(2)整體法通過在結構上布設傳感器來測量結構在外加激勵下的靜位移、速度、加速度等響應，并以此反演出結構中的損傷。如果事先在結構中預埋傳感器，還可以實現對損傷情況的實時監測，但此時只能利用結構工作時的環境激勵所激發出來的結構響應進行損傷反演。相對于局部法，整體法的檢測效率較高。不過如果外加激勵施加不當，結構響應可能無法充分反映出損傷情況，從而影響檢測精度。比如，如果靜載荷較小，結構中的裂紋不能充分張開，那么靜位移就對這種損傷不敏感；另外由于損傷是結構的局部特征，它對結構動態特性的影響往往只體現在較高階頻段上，因此如果外加激勵不能激發出結構的高階響應，那么損傷反演的精度就較差。此外，整體法還存在著傳感器的合理布設、傳感器的耐久性、環境噪聲的干擾以及信號的采集和傳輸等問題。

對于復合材料層合板，也可以采用敲擊法來檢測其中的損傷。這種方法的理論基礎是Cawley建立的敲擊力學模型，他認為當力錘敲擊到結構損傷部位時，由于局部剛度的降低使得該處的敲擊力的峰值較敲擊到完整部位時產生的敲擊力峰值要小。計算敲擊力頻譜曲線和頻率坐標軸所圍的面積，可以得到一個特征參數R，通過比較完好和損傷部位的R值就可以識別出損傷。敲擊法也是一種局部檢測法，它不需要把傳感器固定在結構上，而且由于能夠采集到結構局部剛度的變化，所以對損傷比較敏感。不過這種方法使用了整個頻段的敲擊力頻譜信息，這就在一定程度上降低了損傷識別的精度，這是因為：(1)損傷往往體現在敲擊力的較高階頻段上，使用整個頻段信息會掩蓋對損傷敏感頻段的信息；(2)整個頻段的信息中包含了環境噪聲的成分。另外敲擊力譜線所覆蓋的頻率范圍是由結構剛度以及錘頭的剛度決定的。為了獲得高階頻段譜線，雖然可以通過使用硬度較高的錘頭實現，但這并不能精確地控制頻譜的范圍。即便能夠激發出高階頻譜，這些高頻成分在整個頻段上所占的比例往往較小，這也會影響損傷檢測精度。最后，該方法要求事先知道完整結構的特征參數，這也對其使用帶來了不便。

在橋梁損傷檢測領域，Yang等人提出了一種利用行駛的車輛作為激勵，通過車輛的加速度信號來提取橋梁基頻的方法。這種方法的優點是不需要在橋梁上安裝傳感器，而且測量過程不會影響橋梁的正常運行。但是該方法沒有在車輛上安裝敲擊裝置，因此很難激發出橋梁的高頻響應，而僅根據橋梁的基頻是很難檢測出結構的損傷的。

發明內容

本發明提出了一種用于結構損傷檢測的敲擊掃描方法，其特征在于，包括以下步驟：