板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，包括T型槽平臺、支撐裝置、可移動升降臺，支撐裝置包括支撐立柱，支撐立柱的底部安裝在T型槽平臺上，支撐立柱有4個，兩排兩列排布，可移動升降臺可拆卸安裝在T型槽平臺上、可移動升降臺的頂面設有激振器A。本發(fā)明可同時用于板、梁結構試樣的載荷識別和損傷識別研究，也可以為結構動態(tài)特性參數(shù)的識別和結構優(yōu)化等方面的理論應用研究提供基礎。
【專利說明】
板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及結構動力學領域，尤其涉及一種板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺。
【背景技術】
[0002]結構載荷識別和損傷識別都屬于結構動力學中的第二類逆問題研究范疇。
[0003]載荷識別技術又稱為載荷重構或者載荷反卷積。它是根據(jù)已知結構的動態(tài)特性和實測的動力響應來反求結構的動態(tài)載荷的一門技術。載荷識別作為一種間接的方法，用來計算在惡劣環(huán)境下的載荷或者不能通過傳感器直接獲取的載荷。為了求解逆識別問題，結構模型必須是已知的。在大多數(shù)實際場合下，載荷識別問題是病態(tài)的，因為不是所有的狀態(tài)變量或者初始條件是已知的。一個良態(tài)的動力學問題的概念滿足以下條件:1.解是唯一的；
2.所有合理數(shù)據(jù)都存在全局定義的解;3.解連續(xù)依賴于已知數(shù)據(jù)(穩(wěn)態(tài)準則)。載荷識別問題相對較為復雜，非線性成分，病態(tài)方程影響，理論與實際情況的相符程度受限等等，使之研究困難增加，目前雖已有許多學者提出了一些可行的方法和理論體系，但仍然是目前一個熱門的研究學科，缺乏有效的識別方法和實驗手段。
[0004]載荷識別問題涉及承受較為復雜的外部動態(tài)載荷的高層建筑，風渦輪機，高速列車以及飛機等的結構振動問題。已知結構特性容易測得動力響應，但是激勵載荷卻不易確定，但是對于原振動結構和新振動結構的動力響應分析計算、動力學優(yōu)化設計以及結構健康監(jiān)控等問題，求解動態(tài)載荷是必須的。動態(tài)載荷識別和損傷識別逆問題涉及線性系統(tǒng)理論、適定性理論、數(shù)值建模仿真、動態(tài)測試方法、信號分析與處理、動力模型修正、計算反求方法等多個學科和因素，因此僅通過數(shù)值仿真算例來驗證所提出的動態(tài)載荷識別和損傷識別反問題求解方法的可行性和有效性是不夠的，有必要通過實驗的方法對其進行進一步的驗證。首先，需要對試件進行模態(tài)實驗，將模態(tài)實驗的結果用于數(shù)值仿真模型的驗證和修正;其次，測試各種載荷形式下試件的一組結構響應，將這組實驗的響應數(shù)據(jù)用于試件所受的動態(tài)載荷和損傷的反演識別。
[0005]隨著科學技術的不斷發(fā)展，工程設計人員為了保證結構的合理性以及可靠性，必須要考慮它所承受的外部動態(tài)載荷，并對其進行正確估計。雖然結構外部動載荷難以直接進行測量獲取，但是結構在動態(tài)載荷激勵作用下產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(應變，位移，速度，加速度)一般情況下是可以測量得到的，為動載荷識別技術是奠定了一定的測試基礎。
[0006]結構的損傷首先表現(xiàn)為裂紋的出現(xiàn)和擴展，裂紋損傷是引起大型復雜結構破壞的主要原因之一。由于早期初始微小裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，容易被人們忽略，但裂紋的深入擴展往往導致重大災難性事故的發(fā)生，諸如航空災難、橋梁的斷裂坍塌、海洋平臺的倒塌、油氣管線的斷裂泄漏等，給國家和社會造成了巨大的損失。因此，監(jiān)測并預示早期裂紋發(fā)生的位置與深度，預防重大事故發(fā)生，是損傷識別領域的一個重要研究方向。近年來，結構裂紋損傷監(jiān)測與識別方法的研究引起了國內外學者的廣泛關注，成為工程結構健康診斷和安全評估研究的前沿課題之一。
[0007]結構損傷識別包括四個方面的內容:(I)損傷存在性的判定；(2)結構損傷定位；
(3)結構損傷程度的標定和評價；(4)剩余壽命估計。結構損傷定位比損傷程度的標定更容易實現(xiàn)。損傷定位可以滿足實時監(jiān)測最基本的需要，如果能夠準確判斷出損傷的位置，就可以通過傳統(tǒng)損傷檢測技術進一步測定損傷嚴重程度。雖然超聲波、電渦流、磁粉、紅外識別法等檢測方法在裂紋檢測上取得了一定成就，但這些方法通常只適用于對靜態(tài)對象的檢測?；诮Y構振動的損傷識別方法通常稱為損傷識別(damage identificat1n)，屬于結構整體檢測范疇，與局部的靜態(tài)檢測方法相比，具有非破壞性、方便、快速、廉價和易于在線實現(xiàn)等優(yōu)點，成為結構損傷檢測和識別的不可或缺的重要手段，具有良好的應用前景。作為大型復雜結構的最為重要的組成單元，梁類結構或構件在土木工程結構中有著極其廣泛的應用，研究含裂紋的板梁類結構的振動分析理論和損傷識別方法具有重要意義。
[0008]常見的用于損傷識別的物理量有固有頻率、位移振型、曲率模態(tài)、應變模態(tài)、頻響函數(shù)等。其中固有頻率能夠反映結構的整體特性，測量方便，可以通過結構上任意一點的振動得到，且測量精度高，低頻段誤差一般小于1%。因此使用固有頻率的損傷識別方法是最實用的，如何使用固有頻率數(shù)據(jù)識別損傷狀態(tài)一直是人們熱衷的研究問題。由于固有頻率對損傷敏感性不夠高，同時識別損傷位置和嚴重程度有些困難，可先采取識別損傷位置，然后再識別損傷程度的辦法。
[0009]損傷的一般分析方法包括:基于振動的裂紋梁識別方法，其中主要用于的是頻率與模態(tài)振型；以及其他智能算法在裂紋識別中的應用:神經(jīng)網(wǎng)絡算法、小波分析方法、遺傳算法等。主要的損傷方法有，基于觀測頻率的裂紋識別方法。在應用實踐中，基于頻率變化比的識別方法存在著不足:固有頻率對結構早期損傷并不十分敏感，對于剛度損傷小于60 %的輕微損傷，有時很難得到正確的識別結果;如果損傷位置在結構的低應力區(qū)域時，利用固有頻率的變化將無法進行損傷識別;并且測量頻率不足以提供損傷識別所需要的足夠信息，通常只能確定破損的存在，而無法確定破損的位置和程度。(2)基于觀測振型的裂紋識別方法。振型對結構的局部變化較為敏感，可以用來確定結構可能的損傷位置。在振型基礎上，提出了許多其它的衍生損傷指標，如模態(tài)置信準測(MAC)、模態(tài)比例因子(MSF)、坐標模態(tài)置信準測(COMAC)、坐標模態(tài)比例因子(COMSF)、模態(tài)振型曲率、模態(tài)振型曲率差等，這些損傷指標都可以表征結構的損傷特征。該類方法面臨以下問題:振型的識別，容易被噪聲污染，損傷引起的振型變化常常被這些測試誤差所掩蓋;實際觀測振型數(shù)據(jù)的存在著不完整性;雖然高階振型對損傷更為敏感，但是在實際工程中難以準確測量甚至根本無法測量。
[0010]根據(jù)文獻研究，目前還沒有可同時用于板梁結構試樣的載荷識別和損傷識別的綜合試驗平臺。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明旨在提供一種板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，可同時用于板梁結構試樣載荷識別和損傷識別，也可以為結構動態(tài)特性參數(shù)的識別和結構優(yōu)化等方面的理論應用研究提供基礎。
[0012]為達到上述目的，本發(fā)明是采用以下技術方案實現(xiàn)的:
[0013]本發(fā)明公開的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，包括T型槽平臺、支撐裝置、可移動升降臺，所述支撐裝置包括支撐立柱，所述支撐立柱的底部安裝在T型槽平臺上，支撐立柱有4個，兩排兩列排布，所述可移動升降臺可拆卸安裝在T型槽平臺上、可移動升降臺的頂面設有激振器A。
[0014]進一步的，所述激振器A與可移動升降臺的頂面滑動配合。
[0015]進一步的，所述支撐立柱的頂部設有空氣彈簧。
[0016]進一步的，同一排的兩個支撐立柱的相對側面分別設置梁試樣夾持裝置，同一排的兩個支撐立柱上的兩個梁試樣夾持裝置之間設置有牽引鋼絲、可移動砝碼底座和導向鋼絲，所述牽引鋼絲與可移動砝碼底座固連，牽引鋼絲的驅動裝置為電機，牽引鋼絲水平設置，所述導向鋼絲的兩端分別連接兩個梁試樣夾持裝置，所述可移動砝碼底座與導向鋼絲滑動配合，還包括激振器B，所述激振器B的底部與T型槽平臺適配。
[0017]優(yōu)選的，所述梁試樣夾持裝置可升降，支撐立柱用于安裝梁試樣夾持裝置的側面內凹。
[0018]優(yōu)選的，所述T型槽平臺的尺寸為1500*1000*100mm，材料為45#鋼。
[0019]進一步的，所述激振器A、激振器B均設有激振器安裝座。
[0020]進一步的，所述支撐立柱的底部、激振器安裝座的底部均鋪設隔振材料。
[0021]優(yōu)選的，所述隔振材料包括大理石。
[0022]進一步的，本發(fā)明還包括多個用于采集激勵信號和響應信號的加速度傳感器和應力應變片，所述加速度傳感器和應力應變片均連接計算機;所述加速度傳感器和應力應變片布置在測試板件或者測試梁上。
[0023]本發(fā)明的有益效果如下:
[0024]—、利用該試驗臺可對板梁等結構進行載荷識別、損傷識別研究，整個試驗臺結構簡單，功能實用，便于安裝，比較實用。
[0025]二、利用該試驗臺進行結構試樣測試時，可以同時進行完整板、梁與損傷板、梁結構，以及不同材料、不同損傷類型的有無損傷板、梁結構進行對比性試驗和分析。
[0026]三、整個試驗臺系統(tǒng)成本較低，操作性強，便于基礎性研究。
[0027]四、對傳感器布置進行優(yōu)化設置，得到對結構載荷識別和損傷識別最有效的數(shù)據(jù)。
[0028]五、對臺架共振效應進行研究，為結構優(yōu)化設計提供理論和實驗基礎。
【附圖說明】
[0029]圖1為實施例1的結構示意圖；
[0030]圖2為實施例2的結構示意圖；
[0031]圖中:1-T型槽平臺、2-支撐立柱、3-空氣彈簧、4-測試板件、5-激振器A、6_可移動升降臺、7-牽引鋼絲、8-導向鋼絲、9-測試梁、10-激振器B、ll-可移動砝碼底座、12-梁試樣夾持裝置。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。
[0033]實施例1
[0034]如圖1所示，本實施例包括T型槽平臺1、支撐裝置、可移動升降臺6，T型槽平臺I的尺寸為1500*1000*100mm，材料為45#鋼;支撐裝置包括支撐立柱2，支撐立柱2的頂部設有空氣彈簧3，支撐立柱2的底部安裝在T型槽平臺I上，支撐立柱2有4個，兩排兩列排布，可移動升降臺6底部可拆卸安裝在T型槽平臺I上，可移動升降臺6的頂面設有激振器A5，激振器A5與可移動升降臺6的頂面滑動配合，激振器A5設有激振器安裝座;支撐立柱的底部、激振器安裝座的底部均鋪設隔振材料，隔振材料包括大理石。
[0035]本實施例還包括多個用于采集激勵信號和響應信號的加速度傳感器和應力應變片，加速度傳感器和應力應變片均連接計算機。
[0036]本實施例適用于板試樣件的測試，使用時，將測試板件4放置在空氣彈簧3上，多個加速度傳感器和應力應變片均布在測試板件4上，為了進行結構載荷識別和損傷識別，需要首先進行模態(tài)試驗，測試結構的固有頻率值，阻尼比，模態(tài)振型等等，分析頻譜數(shù)據(jù)和響應時間歷程，為臺架系統(tǒng)共振效應研究及結構優(yōu)化提供基礎。其次，需要對板梁結構進行振動響應測試，采集響應時間歷程信號，可由力錘或者激振器提供動態(tài)載荷信號，信號發(fā)生器發(fā)出單頻信號，經(jīng)過功率放大器產(chǎn)生激勵力。最終選取不同的響應測點進行載荷識別和損傷識別，將識別的載荷值和力傳感器的測量值進行比較。校驗臺架的固有頻率值及激勵頻率范圍值，避免共振頻率。
[0037]對于試驗數(shù)據(jù)的處理，由數(shù)據(jù)采集儀器采集在加速度傳感器和應變片傳回的數(shù)據(jù)，計算機存儲數(shù)據(jù)。并將電壓信號轉換為相應的加速度信號，速度信號，位移信號，應力信號或者應變信號等等。同時對實驗數(shù)據(jù)進行剔除奇異值，消除趨勢項，濾波，統(tǒng)計分析，靈敏度分析和處理。對于板梁結構試驗對象的加速度傳感器和應力應變片的布置情況，由于板梁結構都是比較規(guī)則的結構，因此可以在傳感器型號允許的情況下布置較為密集的加速度傳感器和應力應變片。并且盡量在加載載荷的位置和具有損傷的位置布置盡可能多的傳感器和應變片。
[0038]測試過程中可移動升降臺6可在T型槽平臺I上隨意移動，借此實現(xiàn)其上激振器A的移動。
[0039]實施例2
[0040]如圖2所示，本實施例與實施例1的區(qū)別在于:
[0041 ]拆除實施例1中的可移動升降臺6及激振器A5，增加以下部分:
[0042]同一排的兩個支撐立柱2的內凹的相對側面分別設置可升降的梁試樣夾持裝置12，同一排的兩個支撐立柱2上的兩個梁試樣夾持裝置12之間設置牽引鋼絲7、可移動砝碼底座11和導向鋼絲8，牽引鋼絲7與可移動砝碼底座11固連，牽引鋼絲7采用電機驅動，牽引鋼絲7水平設置，導向鋼絲8的兩端分別連接上述兩個梁試樣夾持裝置12，可移動砝碼底座11與導向鋼絲8滑動配合，激振器BlO安裝在T型槽平臺I上，根據(jù)需要，激振器BlO可以有多個，激振器BlO設有激振器安裝座，激振器安裝座的底部均鋪設隔振材料，隔振材料包括大理石。
[0043]本實施例適用于梁試樣件的測試，使用時，將測試梁9的兩端分別連接在兩個梁試樣夾持裝置12，多個加速度傳感器和應力應變片布置在測試梁9上，四個支撐立柱2支撐起兩根測試梁9，可用于完整梁與損傷梁以及不同材料的梁損傷識別的對比試驗。
[0044]控制電機速度實現(xiàn)不同速度下的移動載荷的施加，通過在可移動砝碼底座11上面添加不同質量的砝碼來控制加載載荷大小。梁結構下可安放兩個位置可調的激振器B10，以此施加正弦掃頻信號，線性掃頻，正弦定頻的等載荷信號，或者可直接通過模態(tài)力錘為結構提供脈沖沖擊載荷;進行結構響應數(shù)據(jù)的采集。
[0045]響應數(shù)據(jù)的處理與實施例1類同，故不再贅述。
[0046]當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:包括T型槽平臺、支撐裝置、可移動升降臺，所述支撐裝置包括支撐立柱，所述支撐立柱的底部安裝在T型槽平臺上，支撐立柱有4個，兩排兩列排布，所述可移動升降臺可拆卸安裝在T型槽平臺上、可移動升降臺的頂面設有激振器A。2.根據(jù)權利要求1所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述激振器A與可移動升降臺的頂面滑動配合。3.根據(jù)權利要求1所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述支撐立柱的頂部設有空氣彈簧。4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:同一排的兩個支撐立柱的相對側面分別設置梁試樣夾持裝置，同一排的兩個支撐立柱上的兩個梁試樣夾持裝置之間設置有牽引鋼絲、可移動砝碼底座和導向鋼絲，所述牽引鋼絲與可移動砝碼底座固連，牽引鋼絲的驅動裝置為電機，牽引鋼絲水平設置，所述導向鋼絲的兩端分別連接兩個梁試樣夾持裝置，所述可移動砝碼底座與導向鋼絲滑動配合，還包括激振器B，所述激振器B的底部與T型槽平臺適配。5.根據(jù)權利要求4所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述梁試樣夾持裝置可升降，支撐立柱用于安裝梁試樣夾持裝置的側面內凹。6.根據(jù)權利要求1所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述T型槽平臺的尺寸為1500*1000*100mm，材料為45#鋼。7.根據(jù)權利要求4所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述激振器A、激振器B均設有激振器安裝座。8.根據(jù)權利要求7所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述支撐立柱的底部、激振器安裝座的底部均鋪設隔振材料。9.根據(jù)權利要求8所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:所述隔振材料包括大理石。10.根據(jù)權利要求4所述的板梁結構載荷識別和損傷識別的多功能試驗臺，其特征在于:還包括多個用于采集激勵信號和響應信號的加速度傳感器和應力應變片，所述加速度傳感器和應力應變片均連接計算機;所述加速度傳感器和應力應變片布置在測試板件或者測試梁上。
【文檔編號】G01M7/02GK106092479SQ201610609054
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610609054.7, CN 106092479 A, CN 106092479A, CN 201610609054, CN-A-106092479, CN106092479 A, CN106092479A, CN201610609054, CN201610609054.7
【發(fā)明人】繆炳榮, 楊忠坤, 李旭娟, 王名月, 史艷民, 陳翔宇, 周鳳
【申請人】西南交通大學