本實(shí)用新型涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種板梁結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別的多功能試驗(yàn)臺(tái)。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別都屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的第二類逆問題研究范疇。

載荷識(shí)別技術(shù)又稱為載荷重構(gòu)或者載荷反卷積。它是根據(jù)已知結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和實(shí)測(cè)的動(dòng)力響應(yīng)來反求結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)載荷的一門技術(shù)。載荷識(shí)別作為一種間接的方法，用來計(jì)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(shí)別問題，結(jié)構(gòu)模型必須是已知的。在大多數(shù)實(shí)際場(chǎng)合下，載荷識(shí)別問題是病態(tài)的，因?yàn)椴皇撬械臓顟B(tài)變量或者初始條件是已知的。一個(gè)良態(tài)的動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)則)。載荷識(shí)別問題相對(duì)較為復(fù)雜，非線性成分，病態(tài)方程影響，理論與實(shí)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(xué)者提出了一些可行的方法和理論體系，但仍然是目前一個(gè)熱門的研究學(xué)科，缺乏有效的識(shí)別方法和實(shí)驗(yàn)手段。

載荷識(shí)別問題涉及承受較為復(fù)雜的外部動(dòng)態(tài)載荷的高層建筑，風(fēng)渦輪機(jī)，高速列車以及飛機(jī)等的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題。已知結(jié)構(gòu)特性容易測(cè)得動(dòng)力響應(yīng)，但是激勵(lì)載荷卻不易確定，但是對(duì)于原振動(dòng)結(jié)構(gòu)和新振動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控等問題，求解動(dòng)態(tài)載荷是必須的。動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別和損傷識(shí)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(dòng)態(tài)測(cè)試方法、信號(hào)分析與處理、動(dòng)力模型修正、計(jì)算反求方法等多個(gè)學(xué)科和因素，因此僅通過數(shù)值仿真算例來驗(yàn)證所提出的動(dòng)態(tài)載荷識(shí)別和損傷識(shí)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(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。首先，需要對(duì)試件進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，將模態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果用于數(shù)值仿真模型的驗(yàn)證和修正；其次，測(cè)試各種載荷形式下試件的一組結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將這組實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)用于試件所受的動(dòng)態(tài)載荷和損傷的反演識(shí)別。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程設(shè)計(jì)人員為了保證結(jié)構(gòu)的合理性以及可靠性，必須要考慮它所承受的外部動(dòng)態(tài)載荷，并對(duì)其進(jìn)行正確估計(jì)。雖然結(jié)構(gòu)外部動(dòng)載荷難以直接進(jìn)行測(cè)量獲取，但是結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)作用下產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)(應(yīng)變，位移，速度，加速度)一般情況下是可以測(cè)量得到的，為動(dòng)載荷識(shí)別技術(shù)是奠定了一定的測(cè)試基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)的損傷首先表現(xiàn)為裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，裂紋損傷是引起大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(kuò)展往往導(dǎo)致重大災(zāi)難性事故的發(fā)生，諸如航空災(zāi)難、橋梁的斷裂坍塌、海洋平臺(tái)的倒塌、油氣管線的斷裂泄漏等，給國(guó)家和社會(huì)造成了巨大的損失。因此,監(jiān)測(cè)并預(yù)示早期裂紋發(fā)生的位置與深度，預(yù)防重大事故發(fā)生，是損傷識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。近年來，結(jié)構(gòu)裂紋損傷監(jiān)測(cè)與識(shí)別方法的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為工程結(jié)構(gòu)健康診斷和安全評(píng)估研究的前沿課題之一。

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別包括四個(gè)方面的內(nèi)容：(1)損傷存在性的判定；(2)結(jié)構(gòu)損傷定位；(3)結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定和評(píng)價(jià)；(4)剩余壽命估計(jì)。結(jié)構(gòu)損傷定位比損傷程度的標(biāo)定更容易實(shí)現(xiàn)。損傷定位可以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)最基本的需要，如果能夠準(zhǔn)確判斷出損傷的位置，就可以通過傳統(tǒng)損傷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步測(cè)定損傷嚴(yán)重程度。雖然超聲波、電渦流、磁粉、紅外識(shí)別法等檢測(cè)方法在裂紋檢測(cè)上取得了一定成就，但這些方法通常只適用于對(duì)靜態(tài)對(duì)象的檢測(cè)。基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法通常稱為損傷識(shí)別(damage identification)，屬于結(jié)構(gòu)整體檢測(cè)范疇，與局部的靜態(tài)檢測(cè)方法相比，具有非破壞性、方便、快速、廉價(jià)和易于在線實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和識(shí)別的不可或缺的重要手段，具有良好的應(yīng)用前景。作為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的最為重要的組成單元,梁類結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在土木工程結(jié)構(gòu)中有著極其廣泛的應(yīng)用,研究含裂紋的板梁類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析理論和損傷識(shí)別方法具有重要意義。

常見的用于損傷識(shí)別的物理量有固有頻率、位移振型、曲率模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、頻響函數(shù)等。其中固有頻率能夠反映結(jié)構(gòu)的整體特性，測(cè)量方便，可以通過結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)的振動(dòng)得到，且測(cè)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(shí)別方法是最實(shí)用的，如何使用固有頻率數(shù)據(jù)識(shí)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(duì)損傷敏感性不夠高，同時(shí)識(shí)別損傷位置和嚴(yán)重程度有些困難，可先采取識(shí)別損傷位置，然后再識(shí)別損傷程度的辦法。

損傷的一般分析方法包括：基于振動(dòng)的裂紋梁識(shí)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(shí)別中的應(yīng)用：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(cè)頻率的裂紋識(shí)別方法。在應(yīng)用實(shí)踐中，基于頻率變化比的識(shí)別方法存在著不足：固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)早期損傷并不十分敏感，對(duì)于剛度損傷小于60％的輕微損傷，有時(shí)很難得到正確的識(shí)別結(jié)果；如果損傷位置在結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力區(qū)域時(shí)，利用固有頻率的變化將無法進(jìn)行損傷識(shí)別；并且測(cè)量頻率不足以提供損傷識(shí)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(cè)振型的裂紋識(shí)別方法。振型對(duì)結(jié)構(gòu)的局部變化較為敏感，可以用來確定結(jié)構(gòu)可能的損傷位置。在振型基礎(chǔ)上,提出了許多其它的衍生損傷指標(biāo)，如模態(tài)置信準(zhǔn)測(cè)(MAC)、模態(tài)比例因子(MSF)、坐標(biāo)模態(tài)置信準(zhǔn)測(cè)(COMAC)、坐標(biāo)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(biāo)都可以表征結(jié)構(gòu)的損傷特征。該類方法面臨以下問題：振型的識(shí)別,容易被噪聲污染，損傷引起的振型變化常常被這些測(cè)試誤差所掩蓋；實(shí)際觀測(cè)振型數(shù)據(jù)的存在著不完整性；雖然高階振型對(duì)損傷更為敏感，但是在實(shí)際工程中難以準(zhǔn)確測(cè)量甚至根本無法測(cè)量。

根據(jù)文獻(xiàn)研究，目前還沒有可同時(shí)用于板梁結(jié)構(gòu)試樣的載荷識(shí)別和損傷識(shí)別的綜合試驗(yàn)平臺(tái)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型旨在提供一種板梁結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別的多功能試驗(yàn)臺(tái)，可同時(shí)用于板梁結(jié)構(gòu)試樣載荷識(shí)別和損傷識(shí)別，也可以為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的識(shí)別和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的理論應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型公開的板梁結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別的多功能試驗(yàn)臺(tái)，包括T型槽平臺(tái)、支撐裝置、可移動(dòng)升降臺(tái)，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(tái)上，支撐立柱有4個(gè)，兩排兩列排布，所述可移動(dòng)升降臺(tái)可拆卸安裝在T型槽平臺(tái)上、可移動(dòng)升降臺(tái)的頂面設(shè)有激振器A。

進(jìn)一步的，所述激振器A與可移動(dòng)升降臺(tái)的頂面滑動(dòng)配合。

進(jìn)一步的，所述支撐立柱的頂部設(shè)有空氣彈簧。

進(jìn)一步的，同一排的兩個(gè)支撐立柱的相對(duì)側(cè)面分別設(shè)置梁試樣夾持裝置，同一排的兩個(gè)支撐立柱上的兩個(gè)梁試樣夾持裝置之間設(shè)置有牽引鋼絲、可移動(dòng)砝碼底座和導(dǎo)向鋼絲，所述牽引鋼絲與可移動(dòng)砝碼底座固連，牽引鋼絲的驅(qū)動(dòng)裝置為電機(jī)，牽引鋼絲水平設(shè)置，所述導(dǎo)向鋼絲的兩端分別連接兩個(gè)梁試樣夾持裝置，所述可移動(dòng)砝碼底座與導(dǎo)向鋼絲滑動(dòng)配合，還包括激振器B，所述激振器B的底部與T型槽平臺(tái)適配。

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(cè)面內(nèi)凹。

優(yōu)選的，所述T型槽平臺(tái)的尺寸為1500*1000*100mm，材料為45#鋼。

進(jìn)一步的，所述激振器A、激振器B均設(shè)有激振器安裝座。

進(jìn)一步的，所述支撐立柱的底部、激振器安裝座的底部均鋪設(shè)隔振材料。

優(yōu)選的，所述隔振材料包括大理石。

進(jìn)一步的，本實(shí)用新型還包括多個(gè)用于采集激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片，所述加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片均連接計(jì)算機(jī)；所述加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片布置在測(cè)試板件或者測(cè)試梁上。

本實(shí)用新型的有益效果如下：

一、利用該試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)板梁等結(jié)構(gòu)進(jìn)行載荷識(shí)別、損傷識(shí)別研究，整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能實(shí)用，便于安裝，比較實(shí)用。

二、利用該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)試樣測(cè)試時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行完整板、梁與損傷板、梁結(jié)構(gòu)，以及不同材料、不同損傷類型的有無損傷板、梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)和分析。

三、整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)成本較低，操作性強(qiáng)，便于基礎(chǔ)性研究。

四、對(duì)傳感器布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，得到對(duì)結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別最有效的數(shù)據(jù)。

五、對(duì)臺(tái)架共振效應(yīng)進(jìn)行研究，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-T型槽平臺(tái)、2-支撐立柱、3-空氣彈簧、4-測(cè)試板件、5-激振器A、6-可移動(dòng)升降臺(tái)、7-牽引鋼絲、8-導(dǎo)向鋼絲、9-測(cè)試梁、10-激振器B、11-可移動(dòng)砝碼底座、12-梁試樣夾持裝置。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例包括T型槽平臺(tái)1、支撐裝置、可移動(dòng)升降臺(tái)6，T型槽平臺(tái)1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(shè)有空氣彈簧3，支撐立柱2的底部安裝在T型槽平臺(tái)1上，支撐立柱2有4個(gè)，兩排兩列排布，可移動(dòng)升降臺(tái)6底部可拆卸安裝在T型槽平臺(tái)1上，可移動(dòng)升降臺(tái)6的頂面設(shè)有激振器A5，激振器A5與可移動(dòng)升降臺(tái)6的頂面滑動(dòng)配合，激振器A5設(shè)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(shè)隔振材料，隔振材料包括大理石。

本實(shí)施例還包括多個(gè)用于采集激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片，加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片均連接計(jì)算機(jī)。

本實(shí)施例適用于板試樣件的測(cè)試，使用時(shí)，將測(cè)試板件4放置在空氣彈簧3上，多個(gè)加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片均布在測(cè)試板件4上，為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別和損傷識(shí)別，需要首先進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)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(yīng)時(shí)間歷程，為臺(tái)架系統(tǒng)共振效應(yīng)研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。其次，需要對(duì)板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，采集響應(yīng)時(shí)間歷程信號(hào)，可由力錘或者激振器提供動(dòng)態(tài)載荷信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出單頻信號(hào)，經(jīng)過功率放大器產(chǎn)生激勵(lì)力。最終選取不同的響應(yīng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行載荷識(shí)別和損傷識(shí)別，將識(shí)別的載荷值和力傳感器的測(cè)量值進(jìn)行比較。校驗(yàn)臺(tái)架的固有頻率值及激勵(lì)頻率范圍值，避免共振頻率。

對(duì)于試驗(yàn)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(yīng)變片傳回的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的加速度信號(hào)，速度信號(hào)，位移信號(hào)，應(yīng)力信號(hào)或者應(yīng)變信號(hào)等等。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除奇異值，消除趨勢(shì)項(xiàng)，濾波，統(tǒng)計(jì)分析，靈敏度分析和處理。對(duì)于板梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)象的加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片的布置情況，由于板梁結(jié)構(gòu)都是比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，因此可以在傳感器型號(hào)允許的情況下布置較為密集的加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變片。

測(cè)試過程中可移動(dòng)升降臺(tái)6可在T型槽平臺(tái)1上隨意移動(dòng)，借此實(shí)現(xiàn)其上激振器A的移動(dòng)。

實(shí)施例2

如圖2所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：

拆除實(shí)施例1中的可移動(dòng)升降臺(tái)6及激振器A5，增加以下部分：

同一排的兩個(gè)支撐立柱2的內(nèi)凹的相對(duì)側(cè)面分別設(shè)置可升降的梁試樣夾持裝置12，同一排的兩個(gè)支撐立柱2上的兩個(gè)梁試樣夾持裝置12之間設(shè)置牽引鋼絲7、可移動(dòng)砝碼底座11和導(dǎo)向鋼絲8，牽引鋼絲7與可移動(dòng)砝碼底座11固連，牽引鋼絲7采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，牽引鋼絲7水平設(shè)置，導(dǎo)向鋼絲8的兩端分別連接上述兩個(gè)梁試樣夾持裝置12，可移動(dòng)砝碼底座11與導(dǎo)向鋼絲8滑動(dòng)配合，激振器B10安裝在T型槽平臺(tái)1上，根據(jù)需要，激振器B10可以有多個(gè)，激振器B10設(shè)有激振器安裝座，激振器安裝座的底部均鋪設(shè)隔振材料，隔振材料包括大理石。

本實(shí)施例適用于梁試樣件的測(cè)試，使用時(shí)，將測(cè)試梁9的兩端分別連接在兩個(gè)梁試樣夾持裝置12，多個(gè)加速度傳感器和應(yīng)力應(yīng)變片布置在測(cè)試梁9上，四個(gè)支撐立柱2支撐起兩根測(cè)試梁9，可用于完整梁與損傷梁以及不同材料的梁損傷識(shí)別的對(duì)比試驗(yàn)。

控制電機(jī)速度實(shí)現(xiàn)不同速度下的移動(dòng)載荷的施加，通過在可移動(dòng)砝碼底座11上面添加不同質(zhì)量的砝碼來控制加載載荷大小。梁結(jié)構(gòu)下可安放兩個(gè)位置可調(diào)的激振器B10，以此施加正弦掃頻信號(hào)，線性掃頻，正弦定頻的等載荷信號(hào)，或者可直接通過模態(tài)力錘為結(jié)構(gòu)提供脈沖沖擊載荷；進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。

響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理與實(shí)施例1類同，故不再贅述。

當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。