1、国际电气工程先进技术译丛先进的结构损伤检测理论与应用Advanced Structural Damage Detection：from Theory to Engineering ApplicationsTadeusz Stepinski波 Tadeusz Uhl主编Wieslaw Staszewski丁克勤 林树青等译机 械 工 业 出 版 社 本书全面回顾了各种监测技术的最新进展及其在结构健康监测（SHM）中的应用。本书强调基本概念、基本原理和典型应用，并侧重理论方法研究与工程应用的有机结合，内容涉及弹性波数值模拟、非线性声学、探测概率模型、压电传感技术、模态滤波技术、热成像技术以及基于视
2、觉的监测技术等诸多学科，充分体现了损伤探测和 SHM 的技术前沿。全书共分 10 章：第 1 章引论，第 2 章介绍弹性波在平面结构中传播的数值模拟方法，第 3 章介绍 SHM 系统辅助探测概率模型的应用，第 4 章提供了非线性声学在 SHM 中应用的状况，第 5 章讨论用于产生和传感表面波和兰姆波的压电传感器，第 6 章给出了机电阻抗（EMI）方法，第 7 章回顾了采用传感器阵列选取兰姆波聚焦的方法，第 8 章介绍了模态滤波器的理论和应用，第 9 章讨论了在无损评价（NDE）和 SHM 中使用热成像技术的不同方式，第 10 章介绍了基于视觉的监测系统。本书收集了近年来 SHM、损伤探测以及压
3、电传感技术等方面的最新研究成果，并包括大量相关示例，内容新颖，图表清晰，实用性强。本书可供从事无损检测、SHM 以及相关传感技术研究的科研人员、工程技术人员使用，也可供机械和土木工程等领域的本科生和研究生参考。译者序结构健康监测（SHM）是工程领域中一种跨学科的、创新性的方法，也是近些年来国内外学者和相关从业者十分关注的热点问题，其利用嵌入或粘接到结构上的不同类型传感器，对结构完整性和性能进行监测，而不影响结构本身，也不损害其运行。随着大型工程结构和装备的性能退化和超期服役，如何实时监测结构损伤，动态掌握其健康状态，及时发现并消除安全隐患，避免重特大事故发生，是当前学术界和工程界亟待解决的重大
4、课题。本书全面回顾了各种监测技术的最新进展及其在结构健康监测（SHM）中的应用，内容新颖，图表清晰，实用性强。全书共分10 章：第1 章引论，第2 章介绍弹性波在平面结构中传播的数值模拟方法，第3 章介绍在裂纹形态不确定和系统变化时，SHM 系统辅助探测概率模型（MAPOD）的应用，第4 章提供了非线性声学应用于 SHM 的当前状况，第5 章讨论用于产生和传感表面波和兰姆波的压电传感器，第6 章给出了机电阻抗（EMI）方法，第7 章回顾了采用传感器阵列选取兰姆波聚焦的方法，第8 章介绍了模态滤波器的理论和应用，重点关注它们在 SHM 系统中应用前景，第9 章讨论了在无损评价（NDE）和结构健康
5、监测（SHM）中使用热成像技术的不同方式，第10 章介绍了基于视觉的监测系统。本书翻译工作的分工如下：丁克勤研究员负责前言、目录、第 1 4章、第 8 章、第 9 章；赵娜负责第 5 章；乔松负责第 6 章；李伯华负责第 7 章；陈光负责第 10 章。丁克勤研究员的博士后、研究生陈力、何亚莹、李昕阳、巩建华等分别参加了第 2 章、第 4 章、第 8 章、第 9 章的翻译工作。另外，俞跃参加了第 9 章的部分翻译和校核工作。陶芳泽和丁科负责译稿中的插图和表格的整理工作。林树青研究员负责全书的统一和协调，并对全书进行了最后的校核。本书的翻译工作得到了机械工业出版社电工电子分社张俊红副社长的大力支持
6、和热情鼓励，在此表示诚挚的感谢！由于时间仓促和知识的局限性，书中难免有不当和疏忽之处，敬请广大读者不吝赐教。原 书 前 言结构健康监测（SHM）是工程领域中一种跨学科的、创新性的方法，该方法对结构安全、完整性和性能进行监测，而不影响结构本身，也不损害其运行。SHM 利用嵌入或粘接到结构上的不同类型传感器，来探测损伤的存在、定位、严重程度和结果。通过采用远程感知和智能材料，SHM 技术集成无损评价（NDE）技术构建智能自监测结构，其特征是可靠性增加，寿命延长。SHM 主要应用于性能要求高的系统，传统的现场评估手段成本高、难度大甚至无法实施。本书由本领域的技术专家编写。通过研读本书，学生、工程师和
7、其他感兴趣的技术人员将会全面了解各种监测技术的最新进展及其在 SHM中的应用。本书对主要 SHM 技术进行了全面回顾，有利于本领域的深入研究与发展。本书不仅提供了一系列 SHM 技术的理论、原理和可行性研究结果，还提供了一些新颖的数据处理算法，并在实际应用中进行了验证。本书报告了 MONIT 项目研究成果，该项目由 AGH 科技大学（AGH-UST）组织实施，得到了欧洲区域发展基金的支持。本书由AGH 科技大学（AGH-UST）机器人与机电一体化系本领域研究人员编写，共包括 10 章内容。第 1 章引论，简要概述了 SHM 的思想，解释了其与传统的 NDE 技术的关系，并通过 NDE 和状态监
8、测（CM）的内容阐述了 SHM 的跨学科特性。本章还讨论了结构损伤和结构损伤探测方面，概述了 SHM 程序的主要层次，给出了采用整体和局部 SHM 方法的 SHM 系统的结构，最后讨论了 SHM 系统设计过程的相关问题。第 2 章介绍弹性波在平面结构中传播的数值模拟方法，简要概述了弹性波传播的数值方法，既有理论背景又有实践方面。这些方法包括：有限元方法（隐式和显式）、谱单元法、有限体积法和有限差分法。本章重点介绍了局部交互模拟法（Local Interaction Simulation Approach，LI-SA），它属于有限差分法。近些年来，由于基于图形处理单元（GPU）原 书 前 言 快
9、速演化技术，LISA 被重新发现具有吸引力。文中给出了由 GPU 实现AGH 科技大学（AGH-UST）开发的 LISA，并采用基准模型案例对其性能进行了说明。第 3 章介绍在裂纹形态不确定和系统变化时，SHM 系统辅助探测概率模型（MAPOD）的应用，通过采用传感器阵列监测平面结构的数值模拟来研究 SHM 系统相关问题。系统监测可靠性通过采用三维模型进行评估，模型包括兰姆波在类平板结构传播与不同形态裂纹引起的散射。第 2 章已经介绍了通过采用并行处理技术来对计算机模型进行处理，这大大加快了模拟时间。本章考虑的裂纹形态指裂纹的位置、方向和大小的变化。第 4 章提供了非线性声学应用于 SHM 的
10、当前状况。本章首先对含有损伤的弹性材料与非线性有关的物理机制的文献进行了全面综述。考虑了不同的应力-应变特征，详细地给出了接触声学非线性和非线性共振等两个特定现象的影响。文中对不同幅值和频率的两个波被引入到一个损伤结构中将产生混频的原理进行了解释。本章主要部分回顾了损伤探测方法及其应用于金属及玻璃、有机玻璃、混凝土和岩石等复合结构。第 5 章讨论用于产生和传感表面波和兰姆波的压电传感器。在对传感器设计进行简单回顾后，本章重点介绍压电复合材料制成的传感器。文中给出了一种新颖的基于宏观纤维复合材料（MFC）的压电传感器。与常用的、传统的带电极 MFC 传感器不同，文中展示的传感器提供了与特定波长相
11、匹配的稀疏交叉指型电极。文中给出了由 MFC 基板制作的交叉指型传感器（IDT）的两种不同设计，并与带密集电极的传统MFC 传感器进行了数值模拟和实验测试结果比较，对传统的 MFC 传感器和粘贴到一个铝板的 IDT 使用激光扫描振动计进行实验。第 6 章给出了机电阻抗（EMI）方法，在提供了理论背景后，介绍了用于损伤探测的测量装置和信号处理算法，采用梁和板等简单机械结构的数值模拟结果对 EMI 方法进行了说明。文中还给出了在实验室条件下铝板和管道等简单结构的实验结果。最后，文中给出了在两架飞机结构（在主起落架和铆接机身面板中的螺栓接头）上开展 EMI 测量的结果，并对 EMI 用于 SHM 的
12、可行性进行了讨论。第 7 章回顾了采用传感器阵列选取兰姆波聚焦的方法。在简要介绍相控阵场后，本章讨论了基于延迟叠加（DAS）操作的传统波束形成技先 进的结构损伤检测理论与应用 术。首先，基于采用点状传感器和自由发散介质的简化模型的仿真结果，根据空间分辨率对二维（2D）阵列拓扑的几个例子进行比较。文中第二部分提出了一种新的波束形成技术，它是对 DORT（时反算子分解的法语缩写）法的一个扩展，其中连续小波变换（CWT）被用于非平稳快照的时频表示（TFR）。文中证实了所提出的技术可应用于铝板中的兰姆波自聚焦，不管是线性还是二维星形阵列。这表明采用提出的方法获得时反算子分解能分离铝板中点状散射，并且允
13、许兰姆波聚集在板中出现的大量单个损伤中。第 8 章介绍了模态滤波器的理论和应用，重点关注它们在 SHM 系统中的应用潜力。模态滤波器可以成功地用于大型工程结构的总体监测。机械系统的结构变化（如由于裂纹导致刚度下降）导致模态滤波器的输出值出现峰值。这些峰值由不完全模态滤波产生，不完全模态滤波是由于系统的局部结构变化引起的，基于模态滤波器的 SHM 系统理论上对温度或湿度等环境变化不敏感（总体结构变化不会引起模态滤波精度的下降）。文中提供了该技术的许多实际应用情况，包括对成熟的SHM 系统的描述，以及全面的仿真、实验和操作试验结果。文中还验证了模态滤波器可以创建一个有价值的、计算量低的损伤探测指示
14、器。此外，采用这个概念的 SHM 系统容易实现自动化。第9 章讨论了在 NDE 和 SHM 中使用热成像技术的不同方式。首先，本章介绍了热成像技术分类取决于带内部激励的主动式红外热像仪，包括振动热成像（VT），并全面概述了包括热成像相机和激励源的测量设备。其次，本章介绍了采用显式有限元对热机械耦合现象进行数值模拟的结果。文中给出了 AGH-UST 开发的 VT 测量系统的硬件和软件组成，并通过在实验室开展复合材料和金属样品的实验对系统进行说明。文中还给出了测量参数对热响应影响的研究结果。最后，本章给出了在一个军用飞机机身和翼板上进行测量的报告，并对与实地测量相关的具体项目进行了讨论。第 10
15、章介绍了基于视觉的监测系统。本章首先回顾了基于视觉的测量方法的研究背景和相关工作，指出了系统在市场上的可用性，并讨论了其优缺点；接着重点论述了这种方法的主要步骤，如相机标定、尺度系数计算算法以及使用对应映射的图像矫正等；然后给出了采用成熟的程序工具和建筑物的可视化模型对这种方法进行仿真测试的结果的报告，并给出了推荐算法的不确定性增长的数值调查结果，并对其进行了 原 书 前 言 讨论，损伤探测概率也一并被考虑；另外，还对在实验室里开展的测试工作进行了报告，测试过程采用一个由钢结构组成的装置、两个高分辨率数码单反（SLR）相机和单点加载；并且文中还对基于视觉的测量方法与使用其他接触和非接触测量技术
16、的结果进行了比较；最后，对在土木工程建设中使用的方法进行了评估。目录译者序原书前言第 1 章 引论11.1 引言11.2 结构损伤和结构损伤探测11.3 SHM 作为 NDT 的深化31.4 SHM 的跨学科性质41.5 SHM 系统的结构7 1.5.1 局部 SHM 方法8 1.5.2 整体 SHM 方法81.6 与 SHM 系统设计有关的方面10 1.6.1 设计原则11参考文献12第 2 章 弹性波传播的数值模拟142.1 引言142.2 建模方法15 2.2.1 有限差分法15 2.2.2 有限元法16 2.2.3 谱单元法17 2.2.4 边界元法19 2.2.5 有限体积法20 2.2.6 其他数值方法21 2.2.7 时间离散化232.3 混合和多尺度建模252.4 局部交互仿真方法（LISA）29 2.4.1 GPU 实现31 2.4.2 进一步发展的基于 GPU 的LISA 软件包33 2.4.3 cuLISA3D 解算器的性能332.5 耦合方案352.6 损伤模型412.7 波传播的吸收边界条件422.8 结论44参考文献45第 3 章 结构健康监测中的辅助探测概
