基于DIC和加速度傳感器試驗的損傷識別對比

(廣東工業大學土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006)

一、模態應變能理論

將前m階損傷前后的模態應變能求和，得到

(1)

(2)

因此計算對m階的第j個單元的加權模態應變能指標如下

(3)

當MSECRcj為極大值時，即可識別出j單元為損傷單元[4]。運用公式(3)的MSECRcj指標是選擇前m階模態應變能之和來代替所有模態的應變能之和，避免不了模態截斷導致的誤差。

二、實驗設備

本文所用到的實驗設備包括：FASTCAM SA3高速攝像機、尼康24-85mm F3.5-6變焦鏡頭、JM3840動態數據采集儀、加速度傳感器、力錘、筆記本電腦。

振動信號分析軟件采用JMTST動態信號測試分析軟件，主要的工作是采集振動的加速度信號和力信號或處理DIC技術獲取的位移信號，并對振動信號進行模態分析，獲取實驗的模態參數。圖片記錄軟件采用PHOTRON FASTCAM VIEWER(PFV-Ver)，主要工作是記錄實驗振動過程中的圖片，將圖片存為tiff格式可加快保存的速度。圖片處理程序軟件選用MATLAB[5]，主要的工作：一是用數字圖像相關追蹤程序，追蹤獲取振動過程中的位移時程曲線。二是自編程序用于計算各工況的模態應變能變化率。

三、實驗的方法和步驟

本次試驗采用一點激勵多點采集響應的方式，力錘盡可能保持垂直敲擊，避免鋼架在作彎曲運動時混入扭轉運動。每一次敲擊后應讓結構的振動衰減完再進行下一次敲擊。為了規避實測中遇見的偶然誤差，每個工況都需要進行多次試驗，綜合考慮多次的實驗結果，確定結構的模態參數[6]。

加速度傳感器和DIC的試驗步驟如下：

1.加速度傳感器試驗

(1)連接好設備，并設置好相關軟件的參數，在實驗模型測量范圍內，選取全部螺栓球(①～⑩)作為測量點，分別豎直穩固地安裝到10個螺栓球表面，傳感器的布置圖，如圖3所示。并連接好設備和設置好設備軟件參數。用力錘激振法采集激勵力的信號和每個測點的豎向加速度響應信號。

(2)在動態信號測試分析軟件上分析各測點的頻響函數。

(3)通過頻響函數識別出振動系統的固有頻率及振型。

(4)將獲取的豎向振型數據用于計算單元模態應變能變化率，最終初步識別出損傷的桿件[7]。

2.DIC試驗

(1)連接好設備，并設置好相關軟件的參數，拍攝并保存實驗模型測量范圍內的整個振動過程的圖片。

(2)運用Matlab數字圖像相關程序追蹤10個測點的位移時程曲線，從而獲得振動過程的豎向位移響應信號。所示，紅色的標記點為DIC的追蹤測點。

(3)將DIC實驗得到的位移響應信號導入到動態數據分析軟件當中。接下來的步驟同加速度傳感器實驗的(3)和(4)步。

實驗損傷識別流程所示。

圖1 損傷識別流程圖

四、結論

本章首先應用DIC和加速度傳感器兩種方式測量空間鋼架結構的振動信號，然后獲取模態參數，計算一階的模態應變能變化率，進而識別結構的損傷狀況，對比兩種測量手段的損傷識別結果，發現：基于DIC技術的識別精確度略低于基于傳統傳感器技術的識別精度，但基本都能識別出單損傷工況的損傷位置，而對雙損傷工況的識別識別時，易有誤判漏判的情況。因此，可以確定基于DIC測量位移技術用于損傷識別領域的可行性，但測量精度還有待提高。