板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，包括T型槽平台、支撑装置、可移动升降台，支撑装置包括支撑立柱，支撑立柱的底部安装在T型槽平台上，支撑立柱有4个，两排两列排布，可移动升降台可拆卸安装在T型槽平台上、可移动升降台的顶面设有激振器A。本发明可同时用于板、梁结构试样的载荷识别和损伤识别研究，也可以为结构动态特性参数的识别和结构优化等方面的理论应用研究提供基础。
【专利说明】
板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台
技术领域
[0001]本发明涉及结构动力学领域，尤其涉及一种板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台。
【背景技术】
[0002]结构载荷识别和损伤识别都属于结构动力学中的第二类逆问题研究范畴。
[0003]载荷识别技术又称为载荷重构或者载荷反卷积。它是根据已知结构的动态特性和实测的动力响应来反求结构的动态载荷的一门技术。载荷识别作为一种间接的方法，用来计算在恶劣环境下的载荷或者不能通过传感器直接获取的载荷。为了求解逆识别问题，结构模型必须是已知的。在大多数实际场合下，载荷识别问题是病态的，因为不是所有的状态变量或者初始条件是已知的。一个良态的动力学问题的概念满足以下条件:1.解是唯一的；
2.所有合理数据都存在全局定义的解;3.解连续依赖于已知数据(稳态准则)。载荷识别问题相对较为复杂，非线性成分，病态方程影响，理论与实际情况的相符程度受限等等，使之研究困难增加，目前虽已有许多学者提出了一些可行的方法和理论体系，但仍然是目前一个热门的研究学科，缺乏有效的识别方法和实验手段。
[0004]载荷识别问题涉及承受较为复杂的外部动态载荷的高层建筑，风涡轮机，高速列车以及飞机等的结构振动问题。已知结构特性容易测得动力响应，但是激励载荷却不易确定，但是对于原振动结构和新振动结构的动力响应分析计算、动力学优化设计以及结构健康监控等问题，求解动态载荷是必须的。动态载荷识别和损伤识别逆问题涉及线性系统理论、适定性理论、数值建模仿真、动态测试方法、信号分析与处理、动力模型修正、计算反求方法等多个学科和因素，因此仅通过数值仿真算例来验证所提出的动态载荷识别和损伤识别反问题求解方法的可行性和有效性是不够的，有必要通过实验的方法对其进行进一步的验证。首先，需要对试件进行模态实验，将模态实验的结果用于数值仿真模型的验证和修正;其次，测试各种载荷形式下试件的一组结构响应，将这组实验的响应数据用于试件所受的动态载荷和损伤的反演识别。
[0005]随着科学技术的不断发展，工程设计人员为了保证结构的合理性以及可靠性，必须要考虑它所承受的外部动态载荷，并对其进行正确估计。虽然结构外部动载荷难以直接进行测量获取，但是结构在动态载荷激励作用下产生的系统响应(应变，位移，速度，加速度)一般情况下是可以测量得到的，为动载荷识别技术是奠定了一定的测试基础。
[0006]结构的损伤首先表现为裂纹的出现和扩展，裂纹损伤是引起大型复杂结构破坏的主要原因之一。由于早期初始微小裂纹不易被发现，容易被人们忽略，但裂纹的深入扩展往往导致重大灾难性事故的发生，诸如航空灾难、桥梁的断裂坍塌、海洋平台的倒塌、油气管线的断裂泄漏等，给国家和社会造成了巨大的损失。因此，监测并预示早期裂纹发生的位置与深度，预防重大事故发生，是损伤识别领域的一个重要研究方向。近年来，结构裂纹损伤监测与识别方法的研究引起了国内外学者的广泛关注，成为工程结构健康诊断和安全评估研究的前沿课题之一。
[0007]结构损伤识别包括四个方面的内容:(I)损伤存在性的判定；(2)结构损伤定位；
(3)结构损伤程度的标定和评价；(4)剩余寿命估计。结构损伤定位比损伤程度的标定更容易实现。损伤定位可以满足实时监测最基本的需要，如果能够准确判断出损伤的位置，就可以通过传统损伤检测技术进一步测定损伤严重程度。虽然超声波、电涡流、磁粉、红外识别法等检测方法在裂纹检测上取得了一定成就，但这些方法通常只适用于对静态对象的检测。基于结构振动的损伤识别方法通常称为损伤识别(damage identificat1n)，属于结构整体检测范畴，与局部的静态检测方法相比，具有非破坏性、方便、快速、廉价和易于在线实现等优点，成为结构损伤检测和识别的不可或缺的重要手段，具有良好的应用前景。作为大型复杂结构的最为重要的组成单元，梁类结构或构件在土木工程结构中有着极其广泛的应用，研究含裂纹的板梁类结构的振动分析理论和损伤识别方法具有重要意义。
[0008]常见的用于损伤识别的物理量有固有频率、位移振型、曲率模态、应变模态、频响函数等。其中固有频率能够反映结构的整体特性，测量方便，可以通过结构上任意一点的振动得到，且测量精度高，低频段误差一般小于1%。因此使用固有频率的损伤识别方法是最实用的，如何使用固有频率数据识别损伤状态一直是人们热衷的研究问题。由于固有频率对损伤敏感性不够高，同时识别损伤位置和严重程度有些困难，可先采取识别损伤位置，然后再识别损伤程度的办法。
[0009]损伤的一般分析方法包括:基于振动的裂纹梁识别方法，其中主要用于的是频率与模态振型；以及其他智能算法在裂纹识别中的应用:神经网络算法、小波分析方法、遗传算法等。主要的损伤方法有，基于观测频率的裂纹识别方法。在应用实践中，基于频率变化比的识别方法存在着不足:固有频率对结构早期损伤并不十分敏感，对于刚度损伤小于60 %的轻微损伤，有时很难得到正确的识别结果;如果损伤位置在结构的低应力区域时，利用固有频率的变化将无法进行损伤识别;并且测量频率不足以提供损伤识别所需要的足够信息，通常只能确定破损的存在，而无法确定破损的位置和程度。(2)基于观测振型的裂纹识别方法。振型对结构的局部变化较为敏感，可以用来确定结构可能的损伤位置。在振型基础上，提出了许多其它的衍生损伤指标，如模态置信准测(MAC)、模态比例因子(MSF)、坐标模态置信准测(COMAC)、坐标模态比例因子(COMSF)、模态振型曲率、模态振型曲率差等，这些损伤指标都可以表征结构的损伤特征。该类方法面临以下问题:振型的识别，容易被噪声污染，损伤引起的振型变化常常被这些测试误差所掩盖;实际观测振型数据的存在着不完整性;虽然高阶振型对损伤更为敏感，但是在实际工程中难以准确测量甚至根本无法测量。
[0010]根据文献研究，目前还没有可同时用于板梁结构试样的载荷识别和损伤识别的综合试验平台。
【发明内容】
[0011]本发明旨在提供一种板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，可同时用于板梁结构试样载荷识别和损伤识别，也可以为结构动态特性参数的识别和结构优化等方面的理论应用研究提供基础。
[0012]为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的:
[0013]本发明公开的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，包括T型槽平台、支撑装置、可移动升降台，所述支撑装置包括支撑立柱，所述支撑立柱的底部安装在T型槽平台上，支撑立柱有4个，两排两列排布，所述可移动升降台可拆卸安装在T型槽平台上、可移动升降台的顶面设有激振器A。
[0014]进一步的，所述激振器A与可移动升降台的顶面滑动配合。
[0015]进一步的，所述支撑立柱的顶部设有空气弹簧。
[0016]进一步的，同一排的两个支撑立柱的相对侧面分别设置梁试样夹持装置，同一排的两个支撑立柱上的两个梁试样夹持装置之间设置有牵引钢丝、可移动砝码底座和导向钢丝，所述牵引钢丝与可移动砝码底座固连，牵引钢丝的驱动装置为电机，牵引钢丝水平设置，所述导向钢丝的两端分别连接两个梁试样夹持装置，所述可移动砝码底座与导向钢丝滑动配合，还包括激振器B，所述激振器B的底部与T型槽平台适配。
[0017]优选的，所述梁试样夹持装置可升降，支撑立柱用于安装梁试样夹持装置的侧面内凹。
[0018]优选的，所述T型槽平台的尺寸为1500*1000*100mm，材料为45#钢。
[0019]进一步的，所述激振器A、激振器B均设有激振器安装座。
[0020]进一步的，所述支撑立柱的底部、激振器安装座的底部均铺设隔振材料。
[0021]优选的，所述隔振材料包括大理石。
[0022]进一步的，本发明还包括多个用于采集激励信号和响应信号的加速度传感器和应力应变片，所述加速度传感器和应力应变片均连接计算机;所述加速度传感器和应力应变片布置在测试板件或者测试梁上。
[0023]本发明的有益效果如下:
[0024]—、利用该试验台可对板梁等结构进行载荷识别、损伤识别研究，整个试验台结构简单，功能实用，便于安装，比较实用。
[0025]二、利用该试验台进行结构试样测试时，可以同时进行完整板、梁与损伤板、梁结构，以及不同材料、不同损伤类型的有无损伤板、梁结构进行对比性试验和分析。
[0026]三、整个试验台系统成本较低，操作性强，便于基础性研究。
[0027]四、对传感器布置进行优化设置，得到对结构载荷识别和损伤识别最有效的数据。
[0028]五、对台架共振效应进行研究，为结构优化设计提供理论和实验基础。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1的结构示意图；
[0030]图2为实施例2的结构示意图；
[0031]图中:1-T型槽平台、2-支撑立柱、3-空气弹簧、4-测试板件、5-激振器A、6_可移动升降台、7-牵引钢丝、8-导向钢丝、9-测试梁、10-激振器B、ll-可移动砝码底座、12-梁试样夹持装置。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0033]实施例1
[0034]如图1所示，本实施例包括T型槽平台1、支撑装置、可移动升降台6，T型槽平台I的尺寸为1500*1000*100mm，材料为45#钢;支撑装置包括支撑立柱2，支撑立柱2的顶部设有空气弹簧3，支撑立柱2的底部安装在T型槽平台I上，支撑立柱2有4个，两排两列排布，可移动升降台6底部可拆卸安装在T型槽平台I上，可移动升降台6的顶面设有激振器A5，激振器A5与可移动升降台6的顶面滑动配合，激振器A5设有激振器安装座;支撑立柱的底部、激振器安装座的底部均铺设隔振材料，隔振材料包括大理石。
[0035]本实施例还包括多个用于采集激励信号和响应信号的加速度传感器和应力应变片，加速度传感器和应力应变片均连接计算机。
[0036]本实施例适用于板试样件的测试，使用时，将测试板件4放置在空气弹簧3上，多个加速度传感器和应力应变片均布在测试板件4上，为了进行结构载荷识别和损伤识别，需要首先进行模态试验，测试结构的固有频率值，阻尼比，模态振型等等，分析频谱数据和响应时间历程，为台架系统共振效应研究及结构优化提供基础。其次，需要对板梁结构进行振动响应测试，采集响应时间历程信号，可由力锤或者激振器提供动态载荷信号，信号发生器发出单频信号，经过功率放大器产生激励力。最终选取不同的响应测点进行载荷识别和损伤识别，将识别的载荷值和力传感器的测量值进行比较。校验台架的固有频率值及激励频率范围值，避免共振频率。
[0037]对于试验数据的处理，由数据采集仪器采集在加速度传感器和应变片传回的数据，计算机存储数据。并将电压信号转换为相应的加速度信号，速度信号，位移信号，应力信号或者应变信号等等。同时对实验数据进行剔除奇异值，消除趋势项，滤波，统计分析，灵敏度分析和处理。对于板梁结构试验对象的加速度传感器和应力应变片的布置情况，由于板梁结构都是比较规则的结构，因此可以在传感器型号允许的情况下布置较为密集的加速度传感器和应力应变片。并且尽量在加载载荷的位置和具有损伤的位置布置尽可能多的传感器和应变片。
[0038]测试过程中可移动升降台6可在T型槽平台I上随意移动，借此实现其上激振器A的移动。
[0039]实施例2
[0040]如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于:
[0041 ]拆除实施例1中的可移动升降台6及激振器A5，增加以下部分:
[0042]同一排的两个支撑立柱2的内凹的相对侧面分别设置可升降的梁试样夹持装置12，同一排的两个支撑立柱2上的两个梁试样夹持装置12之间设置牵引钢丝7、可移动砝码底座11和导向钢丝8，牵引钢丝7与可移动砝码底座11固连，牵引钢丝7采用电机驱动，牵引钢丝7水平设置，导向钢丝8的两端分别连接上述两个梁试样夹持装置12，可移动砝码底座11与导向钢丝8滑动配合，激振器BlO安装在T型槽平台I上，根据需要，激振器BlO可以有多个，激振器BlO设有激振器安装座，激振器安装座的底部均铺设隔振材料，隔振材料包括大理石。
[0043]本实施例适用于梁试样件的测试，使用时，将测试梁9的两端分别连接在两个梁试样夹持装置12，多个加速度传感器和应力应变片布置在测试梁9上，四个支撑立柱2支撑起两根测试梁9，可用于完整梁与损伤梁以及不同材料的梁损伤识别的对比试验。
[0044]控制电机速度实现不同速度下的移动载荷的施加，通过在可移动砝码底座11上面添加不同质量的砝码来控制加载载荷大小。梁结构下可安放两个位置可调的激振器B10，以此施加正弦扫频信号，线性扫频，正弦定频的等载荷信号，或者可直接通过模态力锤为结构提供脉冲冲击载荷;进行结构响应数据的采集。
[0045]响应数据的处理与实施例1类同，故不再赘述。
[0046]当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:包括T型槽平台、支撑装置、可移动升降台，所述支撑装置包括支撑立柱，所述支撑立柱的底部安装在T型槽平台上，支撑立柱有4个，两排两列排布，所述可移动升降台可拆卸安装在T型槽平台上、可移动升降台的顶面设有激振器A。2.根据权利要求1所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述激振器A与可移动升降台的顶面滑动配合。3.根据权利要求1所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述支撑立柱的顶部设有空气弹簧。4.根据权利要求1、2或3所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:同一排的两个支撑立柱的相对侧面分别设置梁试样夹持装置，同一排的两个支撑立柱上的两个梁试样夹持装置之间设置有牵引钢丝、可移动砝码底座和导向钢丝，所述牵引钢丝与可移动砝码底座固连，牵引钢丝的驱动装置为电机，牵引钢丝水平设置，所述导向钢丝的两端分别连接两个梁试样夹持装置，所述可移动砝码底座与导向钢丝滑动配合，还包括激振器B，所述激振器B的底部与T型槽平台适配。5.根据权利要求4所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述梁试样夹持装置可升降，支撑立柱用于安装梁试样夹持装置的侧面内凹。6.根据权利要求1所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述T型槽平台的尺寸为1500*1000*100mm，材料为45#钢。7.根据权利要求4所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述激振器A、激振器B均设有激振器安装座。8.根据权利要求7所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述支撑立柱的底部、激振器安装座的底部均铺设隔振材料。9.根据权利要求8所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:所述隔振材料包括大理石。10.根据权利要求4所述的板梁结构载荷识别和损伤识别的多功能试验台，其特征在于:还包括多个用于采集激励信号和响应信号的加速度传感器和应力应变片，所述加速度传感器和应力应变片均连接计算机;所述加速度传感器和应力应变片布置在测试板件或者测试梁上。
【文档编号】G01M7/02GK106092479SQ201610609054
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月28日 公开号201610609054.7, CN 106092479 A, CN 106092479A, CN 201610609054, CN-A-106092479, CN106092479 A, CN106092479A, CN201610609054, CN201610609054.7
【发明人】缪炳荣, 杨忠坤, 李旭娟, 王名月, 史艳民, 陈翔宇, 周凤
【申请人】西南交通大学