机电阻抗技术用于结构健康监测的研究

介绍了机电阻抗技术用于结构健康监测的基本原理 ,并以焊接接头为例 ,提出了焊接接头健康监测的试验系统和相应的试验方法。     

载荷影响下的机电阻抗协整结构损伤识别方法

针对滚动轴承早期故障特征信息十分微弱难以提取以及可调品质因子小波变换(tunable Q-factor wavelet transform,简称TQWT)参数设置依赖使用者经验的问题,提出改进的TQWT的滚动轴承早期故障诊断方法。首先,设定Q因子的区间范围,利用TQWT对滚动轴承故障振动信号进行分解得到若干个分量;其次,对各分量进行包络导数能量算子解调,在能量谱中根据特征频率强度系数这一指标自适应地确定TQWT的最佳分解参数,实现对故障信号的最优分解;最后,通过对最佳分量的包络导数能量谱分析即可准确地提取到轴承故障特征信息。通过对仿真信号、实验数据以及工程案例分析表明,该方法能够有效提取滚动轴承早期微弱故障特征并准确判断出滚动轴承故障类型,具有一定的工程应用价值。     

机电阻抗技术用于结构健康监测的研究

介绍了机电阻抗技术用于结构健康监测的基本原理,并以焊接接头为例,提出了焊接接头健康监测的试验系统和相应的试验方法。     

载荷影响下的机电阻抗协整结构损伤识别方法

高频机电阻抗(electromechanical impedance,简称EMI)方法利用粘贴在结构表面的压电传感器(piezoelectric transducer,简称PZT)进行主动激励,通过连续监测和分析PZT机电导纳信号的变化评估结构的健康状态;然而EMI方法容易受到环境工况变化的影响,导致结构损伤的误报。针对此问题,采用时间序列协整方法处理及消除结构工作载荷对阻抗谱特征信号的影响。该方法是基于结构动荷载作用下PZT阻抗谱导纳信号的非平稳特征,将动荷载影响下的阻抗谱非平稳时间序列经线性组合变换成平稳时间序列,根据得到的协整余量序列有效判断结构的健康状态。为验证该方法的有效性,开展了动应力影响下铝梁结构的螺栓松动损伤识别实验。结果表明,协整消除了动态应力对EMI方法的影响,当铝梁内存在持续变化的应力时,仍可以准确识别螺栓松动。机电阻抗协整方法能够消除结构健康监测中荷载作用的影响,及时准确地进行结构损伤识别。     

温变工况下的EMI螺栓松动损伤识别

环境温度变化易引起机电阻抗方法(EMI)结构健康监测的损伤误报,以螺栓组连接的铝板为对象,分别进行了温度对导纳信号的影响实验及温变工况下的螺栓松动损伤识别实验,采用平均绝对偏差与相关系数偏差量化表征导纳信号改变程度,利用信号互相关迭代算法分段补偿温度影响。结果表明,温度变化引起导纳信号的水平偏移,且偏移量随频率与温差的增加而增大,引起损伤指标变化,影响螺栓连接状态判定。通过迭代算法进行温度补偿后,极大程度消除了温度影响,有效提高了螺栓松动损伤识别的敏感程度,避免温度变化引起损伤误报。     

压电阻抗技术用于智能螺栓的实验研究

针对工程结构中的螺栓连接件易松动的问题,进行了基于压电阻抗技术(EMI)的螺栓松动监测实验。实验将锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)直接粘贴在螺栓和螺母上,通过万能试验机对螺栓施加不同的拉力来模拟螺栓预紧力的变化,采用精密阻抗分析仪提取不同螺栓和螺母上压电材料的导纳信号,引入基于电导纳的均方根偏差(RMSD)损伤指标,建立螺栓松动程度和预紧力之间的对应关系。试验结果表明,不同型号的螺栓和螺母上安装的压电材料都可以感知预紧力的变化;得到了损伤指标(RMSD)和预紧力之间的定量对应关系;通过分析损伤指标和预紧力之间的关系可得到螺栓的松动情况,并且可直接定位松动的螺栓。研究表明基于压电阻抗技术的智能螺栓(智能螺母)可以实现松动自检测。     

基于阻抗技术的压电元件自损伤检测-

为了保证结构健康监测系统的有效运行,基于压电阻抗技术原理,提出了一种压电传感、驱动元件自损伤检测方法.通过研究压电元件等效电容值(压电元件导纳虚部数值)的变化,判别压电元件是否破损及其与主体结构之间是否剥离,并在悬臂梁结构上进行压电元件自损伤检测试验.结果表明,相比压电元件完好的情况,各频率下压电元件电纳值随脱粘部分面积的增加而上升,随破裂部分面积的增加而下降,并且损伤程度和等效电容变化量成比例关系,与理论分析结果吻合较好.     

基于协整分析的风电机组状态监测方法

针对风力发电机组SCADA系统受到环境及运行等因素影响[1],常常发生故障漏报和误报等问题,提出一种基于协整计算的风力发电机SCADA非平稳数据分析方法。风力发电机SCADA数据经协整计算可以获得附带风力发电机状态信息的残差,通过分析该协整残差可实现风力发电机的状态监测。取内蒙古包头市固阳县某风场1.5 MW双馈风电机组所采集的SCADA数据为研究对象,利用部分非平稳数据建立协整模型,并用一组正常运行数据以及一组已知齿轮箱故障数据对模型进行验证,结果表明,所提方法可有效抑制SCADA数据中由环境和运行引起的响应,准确识别风力发电机的运行状态,简单有效的实现风力发电机的状态监测.     

依据主成分和协整性的大坝变形奇异诊断

针对常规方法对大坝变形原位监测数据中奇异成分的诊断效率较低问题,综合应用主成分分析（principal component analysis,简称PCA）和协整分析（co-integration analysis,简称CA）,提出一种新方法。首先,基于PCA,构建平方预测误差（squared prediction error,简称SPE）统计量,结合假设检验,提出奇异成分辨识准则;其次,依据CA,运用拓展的迪基?福勒（augmented Dickey?Fuller,简称ADF）检验和逐步回归法,建立奇异成分似然估计模型;最后,通过工程实例分析,检验方法的有效性。结果表明：PCA、拉依达、狄克松和t准则分别可辨识出相对误差为3.81%,7.61%,7.61%和5.08%的孤立型奇异;CA模型对斑点型奇异的估计精度最高,其次是统计模型,自回归模型最差,复相关系数分别为0.994 5,0.871 5和0.743 2。与常规方法相比,PCA-CA方法性能有较大提升,可为大坝变形奇异诊断提供有效的途径。     

压电阻抗技术用于螺栓松紧健康诊断

实验研究了利用压电片进行结构微小损伤的健康诊断,以螺栓松动为例,在螺栓附近粘贴压电片,对压电片实施激励,实验分析螺栓松动情况下压电片的特性变化。结果表明,螺栓松动引起的微小损伤,在低频电压激励下引起压电片导率变化不显著,但是在高频下（大于50kHz),不同的作用频率范围下,压电片导率都有明显改变,因此,高频作用下压电片导率的变化可以作为结构健康诊断的一个标尺。     

超声导波在圆管结构损伤定位中的应用

针对结构损伤会影响超声导波传播,提出基于超声导波无损检测的结构健康监测方法。以内径为174mm、外径为194mm、材料为20~#碳钢的圆管结构为例,根据频散方程利用数值法求解其纵向模态以及周向Lamb波频散曲线。同时考虑其频散曲线和波的结构,确定激励频率中心频率为80kHz。在此基础上进行有限元仿真,验证圆管中导波的传播机理及特征。针对此频率圆管纵向模态导波以及周向Lamb波的频散特性、波的结构比较接近,且都与板中的Lamb波相似,从而提出了单点激励、多点接收,并采用椭圆定位的方法,实现圆管结构损伤定位。通过仿真和实验验证该方法对切槽、圆孔等损伤的识别效果,并对损伤定位误差的影响因素进行了分析。     

Self-powered structural health monitoring with nonlinear energy harvesting system

The present paper describes the application of the fully self-powered structural health monitoring (SHM). Based on the nonlinear process of microgenerators that directly convert ambient mechanical energy into electrical energy, using the synchronized switch harvesting (SSH) method developed in our laboratory, the nonwired SHM system is equipped. The system is separated into two parts. One is an autonomous wireless transmitter (AWT), its mass is 28.9 g, and it generates a radio frequency (RF) signal and a Lamb waveform as a damage index signal. Another part is these receivers, called autonomous wireless receiver (AWR), and its weight is of 67.6 g. A preliminary design of the device using shelf electronics and surface mounted piezoelectric patches is presented. The energy balance shows that more than enough energy to operate these processes can be obtained within 10 s (when around 50 Hz and more than 2 MPa of the stress level). Some different damage index measurements of SHM are finally discussed.     

超声导波在H型钢结构损伤识别中的应用

针对H型钢在损伤情况下对超声导波的影响,提出基于超声导波的结构健康监测方法,并探讨了应用超声导波检测技术在H型钢中对结构损伤识别的可行性及其识别能力。采用中心频率为87.5kHz的波形为汉宁窗调幅3.5个周期正弦曲线作为激励波形,应用商业有限元软件ABAQUS对导波在H型钢构件中的传播进行了仿真,同时对无损伤以及有损伤的仿真模型进行实验验证。实验中利用压电材料锆钛酸铝(piezoelectric lead zirconate titanate,简称PZT)换能器来激发和接收在H型钢中传播的导波信号,借助于Morlet小波时频分析等方法对仿真和实验采集到的信号进行处理,并比较实验结果与仿真结果的吻合度。最后分析H型钢中损伤的大小等因素对损伤识别的影响,以及超声导波在H型钢中的损伤识别能力。     

基于互相关函数幅值向量的结构损伤检测实验研究

进行了基于互相关函数幅值向量(cross correlation function amp litude vector,CorV)的受随机激励结构损伤检测的实验研究。以一个复合材料单跨梁为实验对象,通过在梁的局部位置上安装夹板,改变夹板对结构附加刚度,来模拟结构的损伤。对结构施加随机激励,分别用加速度传感器和应变传感器采集结构的响应信号,计算结构在损伤前后的CorV,使用互相关函数幅值向量置信度准则(cross correlation function amp litude vector assurance criterion,CVAC)来度量结构受损前后CorV的变化。结果表明,结构损伤前后的CorV之间的CVAC较完好结构之间的CVAC有明显下降;分析结构损伤前后CorV中分量的相对变化,可确定损伤产生的区域。使用互相关函数幅值向量,只需要测量结构在随机激励作用下的时域响应信号,就可检测出结构损伤的存在及损伤的位置。因此本文所采用的方法可应用于环境激励下的结构健康监测。     

基于自适应技术的结构参数与输入同步反演

发展一种基于遗传优化算法的自适应追踪技术,结合输入未知条件下的二次误差平方和方法,利用事件中的加速度响应数据实现结构参数与输入的同步反演,判断并追踪结构损伤,包括损伤发生的时间、位置和程度。三自由度迟滞非线性系统数值仿真结果表明,该方法能够精确有效地追踪结构参数的变化,并同步反演结构的未知输入。此外,对三自由度基础隔振结构模型进行了多工况实验研究。结果表明,所发展方法能够实时有效地追踪结构时变物理参数、反演结构未知基底激励,进而精准地获取结构的损伤信息。     

一种基于宽带激励的虚拟时间反转方法

针对主动Lamb波监测中常见的低信噪比问题和传统时间反转方法降低监测信号空间分辨率的不足,提出一种采用宽带激励求取损伤散射路径传递函数的虚拟时间反转方法并应用于复杂结构的多损伤成像中.理论研究并经实验验证表明该方法不但能够有效实现Lamb波多损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强,抑制了边界反射信号和噪声,提高了信噪比,而且与传统时间反转方法相比,提高了损伤聚焦波包的空间分辨率,增强了对于多个损伤的监测能力.最后的成像结果显示虚拟时间反转方法能够改善复杂板结构中两个近邻损伤的成像质量.     

基于相控阵的结构损伤范围监测与图像表征

本文针对碳纤维复合材料机翼盒段监测损伤信号微弱难以有效辨识及结构损伤大小的量化问题,提出基于相控阵的碳纤维复合材料结构损伤识别成像与损伤量化方法。利用Lamb波信号在特定方向上的干涉,实现对结构的定向扫描,提高信号的信噪比;通过划分扇环计算其面积进而量化损伤区域大小,同时分析时间延迟执行过程并分析其对损伤识别误差的影响。采用相控阵监测原理在某型无人机碳纤维复合材料机翼盒段上进行实验研究,识别结构中的损伤,对监测结果进行成像,不仅显示结构中损伤的位置并计算量化损伤区域大小,实验研究证明,采用相控阵原理能够有效精确地识别碳纤维复合材料机翼盒段中损伤,图像表征清晰且量化损伤范围准确。     

基于部分可观察马尔可夫决策过程的机电装备动态可靠性评价方法

针对机电装备运行维护问题,提出了基于部分可观察马尔可夫决策过程(POMDP)理论的动态可靠性评价方法。该方法将可靠性动态演变看成POMDP问题,通过不完全观测到的设备运行信息（如噪声、温度、压力等）,对可靠性状态进行估计,同时分析不同的维修行为对可靠性水平的影响规律,构建了基于状态转移的动态可靠性评价模型。然后,提出了以最小化维修成本费用和潜在故障危害为目标的维护策略制定方法,并通过案例分析验证了该方法的有效性,实现了机电装备动态可靠性的有效评价与维护策略的科学制订。