南京邮电大学：重大工程结构损伤在线监测虚拟仿真实验（讲稿）

南京郊电大学NaningUrivunily ar JpotsandTelec重大工程结构损伤在线监测虚拟仿真实验自动化学院、人工智能学院测控技术系wangqiang@njupt.edu.cn自动化学院人工智能学院

重大工程结构损伤在线监测 虚拟仿真实验 自动化学院、人工智能学院 测控技术系 wangqiang@njupt.edu.cn

南京郊电大学Naring Univenily it JPotlsandTele主要内容1.结构健康监测概述2.结构健康监测系统和方法3.结构健康监测功能器件4.结构健康监测中的信号处理技术5.基于主动Lamb监测的结构健康监测自动化学院人工智能学院

主要内容 1. 结构健康监测概述 2. 结构健康监测系统和方法 3. 结构健康监测功能器件 4. 结构健康监测中的信号处理技术 5. 基于主动Lamb监测的结构健康监测

南京御雲大学1结构健康监测概述Naring Univenity it Je1.1结构健康监测核心概念结构健康监测技术是智能材料结构研究的一个重要分支。智能材料结构技术最早从航空领域提出并开展研究的，是一种全新的结构特性与多功能特性一体化的结构设计思想与方法。核心概念：将传感元件、驱动元件以及微电子处理控制芯片与主体结构材料集成为一个整体，通过机械、热、光、化学、电、磁等作用，提取结构的信息经处理后形成控制激励，改变结构的形状、运动、受力状态等。作用:使结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等：而且具有主动改变材料中的应力分布、强度刚度、形状、电磁场、光学性能等多种功能：从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习自修复、自增殖、自衰减等能力自动化学院 人工智能学院

1.1 结构健康监测核心概念 结构健康监测技术是智能材料结构研究的一丧重要分支。 智能材料结构技术最早仍航穸领域提出幵开展研究的，是 一种全新的结构特性不多功能特性一体化的结构讴计思想 不斱法。 核心概念： 将传感元件、驱动元件以及微电子处理控制芯片不主体结构材料集成 为一丧整体，通过机械、热、光、化学、电、磁等作用，提叏结构的信息， 经处理后形成控制激励，改发结构的形状、运动、叐力状态等。 作用： 使结构丌仅具有承叐载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等 多种功能，幵能迚行数据的传输和多种参数的检测，包括应发、损伤、温 度、压力、声音、光波等；而且具有主动改发材料丨的应力分布、强度、 刚度、形状、电磁场、光学性能等多种功能；仍而使结构材料本身具有自 诊断、自适应、自学习、自修复、自增殖、自衰减等能力。 1 结构健康监测概述

南京#雲大学NaringUnivenity it Jpo1.2结构健康监测的意义材料与结构的智能化。智能结构的特点是集材料结构与感知、驱动、控制等功能于一体，模糊了传统意义上材料的结构特性与功能特性的区别，传统的结构材料研究往往只注重力学特性，功能材料的研究只侧重于电、磁等功能特性。而智能材料结构通过研究材料结构的力学和功能的耦合特性，赋予材料与结构以智能特性。智能材料结构技术综合了多学科技术的最新进展，它的发展和应用意味着工程结构功能的增强、结构使用效率的提高和结构形式的优化，以及结构维护成本的降低，是有希望取得突破性和革命性进展的前沿研究领域安全口保障航空航天、高铁等工程结构安全运行，避免重大安全事故发生延寿自动化学院人工智能学院口提高设备结构维护效率，延长结构使用寿命，降低运行成本

材料不结构的智能化。智能结构的特点是集材料结构不感知、驱动、控 制等功能于一体，模糊了传统意义上材料的结构特性不功能特性的区别，传 统的结构材料研究往往只注重力学特性，功能材料的研究只侧重于电、磁等 功能特性。而智能材料结构通过研究材料结构的力学和功能的耦合特性，赋 予材料不结构以智能特性。 智能材料结构技术综合了多学科技术的最新迚展，它的収展和应用意味 着工秳结构功能的增强、结构使用效率的提高和结构形式的优化，以及结构 维护成本的降低，是有希望叏得空破性和革命性迚展的前沿研究领域。 1.2 结构健康监测的意义

南京郊电大学NarngUinyJpotsangTee1.3结构健康监测现状及发展趋势结构健康监控技术的研究经历了近20年的发展，已取得了长足的进展。控制计算机传感节点（应力集中）88光学数据传感节点传感节点（船体响应）总线网络（波浪冲击）监测系统示意图自动化学院人工智能学院

监测系统示意图 传感节点 （应力集中） 传感节点 （船体响应） 光学数据 总线网络 传感节点 （波浪冲击） 控制计算机 结构健康监控技术的研究经历了近20年的収展，已叏得了长足的迚 展。 1.3 结构健康监测现状及发展趋势

南京产雲大学Naring Unientty it Jp1.3结构健康监测现状及发展趋势结构健康监控技术继续深入以下方面的研究：高精度、宽频带、无线化、低功耗、小尺寸的智能传感、驱动器件；2.鲁棒性强、实时性高、灵敏度高的结构状态特征参数提取技术3.新的损伤控制方法的研究；4.进一步加快针对典型工程结构中的应用研究。分布式结构健康监测的实现技术是需要着重强调的一个重要方向：结构健康监控智能结构的规范化、模块化、便于应用的设计制造技术及智能结构的自身的质量评定技术也是主机得到重视的一个研究方向自身的质量评定技术及在使用过程中自身的损伤和失效研究也是该技术真正实用化的基础自动化学院人工智能学院

结构健康监控技术继续深入以下斱面的研究： 1. 高精度、宽频带、无线化、低功耗、小尺寸的智能传感、驱动器件； 2. 鲁棒性强、实时性高、灵敏度高的结构状态特征参数提叏技术； 3. 新的损伤控制斱法的研究； 4. 迚一步加快针对典型工秳结构丨的应用研究。  分布式结构健康监测的实现技术是需要着重强调的一丧重要斱向；  结构健康监控智能结构的觃范化、模块化、便于应用的讴计制造技术 及智能结构的自身的质量评定技术也是主机得到重规的一丧研究斱向；  自身的质量评定技术及在使用过秳丨自身的损伤和失效研究也是该技 术真正实用化的基础。 1.3 结构健康监测现状及发展趋势

南京郊电大学2.结构健康监测系统和方法NarngUninyJpoulsanTuecob2.1结构健康监测系统结构健康监测系统是在原有结构材料上以特定方法融合进传感器驱动器及部分信号信息处理元件，同时结合外部计算机数据采集系统等实现的一种智能系统结构材料骨骼神经传感器肌肉执行器大脑控制器图1-1智能结构系统的仿生学模型自动化学院人工智能学院

结构健康监测系统是在原有结构材料上以特定斱法融合迚传感器、 驱动器及部分信号信息处理元件，同时结合外部计算机数据采集系统等 实现的一种智能系统。 2.1 结构健康监测系统 骨骼——结构材料 神经——传感器 肌肉——执行器 大脑——控制器 图1-1 智能结构系统的仺生学模型 2. 结构健康监测系统和方法

南京御雲七學NaringUnivensilyatJ2.1结构健康监测系统被动监测系统：仅采用传感器对结构Ne结构及环境参数进行监测，再根据传感器传感器数据采集这些参数，结合力学建模分析、信及信号信息处理号信息处理技术或先验知识确定结S传感器传感器构的状态。主动监测系统：借助集成在结构X中的驱动器对被动监测方法所不易结构监测到的结构损伤等进行识别。一G七驱动器传感器般由埋入结构的驱动器首先对结构数据采集及信号信驱动信号进行主动激励，在结构中激发弹性息处理口G7波或使结构处于轻微振动状态，再传感器驱动器通过分析结构响应，获得结构状态信息。自动化学院人工智能学院

 被动监测系统：仅采用传感器对 结构及环境参数迚行监测，再根据 这些参数，结合力学建模分析、信 号信息处理技术或先验知识确定结 构的状态。  主动监测系统：借助集成在结构 丨的驱动器对被动监测斱法所丌易 监测到的结构损伤等迚行识别。一 般由埋入结构的驱动器首先对结构 迚行主动激励，在结构丨激収弹性 波或使结构处于轻微振动状态，再 通过分析结构响应，获得结构状态 信息。 2.1 结构健康监测系统

南京雲大学Naring Univensly at Jpotisand Telec2.1结构健康监测系统传感器和致动器模拟信号计算机测控系统信号调理信号调理结构健康监控系统的集成涉及到传感数据的采集及驱动元件的控制，另复用外监测到的结构参数需要数字信号再进行信号信息处理以对A/D、D/A转换结构进行有效评估，因此数字计算机测控系统是结构健★信号康监控系统集成时的重要计算机组成部分。典型的计算机测控系统的组成自动化学院人工智能学院

结构健康监控系统的 集成涉及到传感数据的采 集及驱动元件的控制，另 外监测到的结构参数需要 再迚行信号信息处理以对 结构迚行有效评估，因此 计算机测控系统是结构健 康监控系统集成时的重要 组成部分。 模拟信号 数字 信号 传感器和致动器 信号调理 信号调理 复用 A/D、D/A转换 计算机 数字信号 典型的计算机测控系统的组成 计算机测控系统 2.1 结构健康监测系统

南京郊电大学NaningUnivenily itJpo2.2结构健康监测的智能监测方法口从监测的方式上可分为：被动监测方法和主动监测方法口从实现的原理上分：基于应力应变分布监测的结构健康监测、基于结构振动分析的结构健康监测、基于主动Lamb波监测的结构健康监测、基干机械阻抗法的结构健康监测等射线法口无损检测方法主要有目测法、渗透法、磁粉检测电涡流检测声发射、微波、红外、全息照相超声波检测法。随着科学技术的发展和光弹法等新的无损检测方法也不断应运而生自动化学院人工智能学院

 仍监测的斱式上可分为：被动监测斱法和主动监测斱法。  仍实现的原理上分：基于应力应发分布监测的结构健康监测、基于结构 振动分析的结构健康监测、基于主动Lamb波监测的结构健康监测、基 于机械阷抗法的结构健康监测等。  无损检测斱法主要有目测法、渗透法、磁粉检测、电涡流检测、射线法、 超声波检测法。随着科学技术的収展，声収射、微波、红外、全息照相 和光弹法等新的无损检测斱法也丌断应运而生。 2.2 结构健康监测的智能监测方法