一种基于DIC技术的试验模态分析方法

摘要

一种基于DIC技术的试验模态分析方法，其中，包括如下步骤：S1.对桁架结构模型施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，对时序图像进行相关性分析处理，得到桁架结构变形前后的位移响应，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线；S2.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线；S3.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入测试分析系统中，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态。

说明书

技术领域

本发明涉及模态参数识别技术领域，更具体地，涉及一种基于DIC技术的试验模态分析方法。

背景技术

桥梁事故造成交通阻塞、人员伤亡和经济损失。及时对桥梁结构的健康进行监测，具有重要的理论意义和重大的社会经济效益。模态分析技术作为结构动力特性分析、结构健康监测及故障诊断及有限元模型修正等的重要手段，也随之得到了广泛的应用。进行试验模态分析时我们通常用到的是传统的传感器测量方法。但是DIC测量技术在获取结构振动模态信息以及在模态损伤识别领域上的运用几乎没有。

常规的试验模态分析方法是采用加速度传感器等获取结构的振动信息和模态信息。但是传统的传感器测量技术不能得到结构完整动态信息。在有限的测点上布置传感器只能测得低价模态，而且无法测得转动自由度上的响应，这导致了测量信息不完备。另外，传统的测量方法(加速度传感器，应变片，光纤光栅)多是接触式的，测量布置耗时、有时不易实现。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种基于DIC技术的试验模态分析方法。本发明使得桥梁结构可以利用DIC测量技术获得桥梁的振动模态信息，从而达到提高测量精度的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于DIC技术的试验模态分析方法，其中，包括如下步骤：

S1.对桁架结构模型施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，对时序图像进行相关性分析处理，得到桁架结构变形前后的位移响应，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线；

S2.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线；

S3.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，对其进行傅里叶变换，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态；

进一步的，所述步骤S1中，对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应包括如下步骤：

S11.获取初始桁架结构和变形后桁架结构图像的灰度值I(x，y)，J(x，y)；

S12.对两幅图像进行相关性处理，计算两幅图像的相关性C：

式中，B为参考子区的面积，x，y为图像的像素坐标；Δx，Δy为参考子区和变形子区的位置差，I和J分别为变形前后图像像素的灰度值，使C(Δx，Δy)取得极大值的Δx，Δy就是位移响应。

进一步的，所述步骤S3中，得到的频响函数为：

其中，f(ξ，t)是激励点ξ的激励时间历程信号，u(x，t)是测量点x处的响应时间历程信号，ω_i和W_i是固有频率和模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号；

当力锤激励频率ω趋于第阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明用基于DIC技术的试验模态分析方法，开发图像分析技术(DIC)和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，从而获取结构模态信息。相比于传统的试验模态分析方法，本方法可以获得完整的桥梁结构振动信息和模态信息，提高了测量的精度。

附图说明

图1是本发明的原理流程图。

图2是本发明DIC测量方法示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于DIC技术的试验模态分析方法，其中，包括如下步骤：

S1.对桁架结构模型施加一个动态的力锤激励，利用DIC技术分别对初始桁架结构和施加力锤激励后的桁架结构进行拍摄，得到桁架结构变形的时序图像，对时序图像进行相关性分析处理，得到桁架结构变形前后的位移响应，同时利用动静态采集仪测量力锤激励的时程信号，得到激励力曲线。

步骤S1中，对时序图像进行图像处理和相关计算，得到桁架结构变形前后的位移响应包括如下步骤：

S11.获取初始桁架结构和变形后桁架结构图像的灰度值I(x，y)，J(x，y)；

S12.对两幅图像进行相关性处理，计算两幅图像的相关性C：

式中，B为参考子区的面积，x，y为图像的像素坐标；Δx，Δy为参考子区和变形子区的位置差，I和J分别为变形前后图像像素的灰度值，使C(Δx，Δy)取得极大值的Δx，Δy就是位移响应。

S2.开发DIC技术和传统试验模态分析两个系统之间的数据接口，力锤激励为输入信号，位移响应为输出信号，导入动态信号测试分析系统中，通过动态信号测试分析系统得出位移曲线；

S3.把得到的位移曲线和激励力曲线按时间顺序对应起来，导入动态信号测试分析系统中，对其进行傅里叶变换，得到频响函数，根据频响函数推导出桁架结构的固有频率和振动模态。

步骤S3中，得到的频响函数为：

其中，f(ξ，t)是激励点ξ的激励时间历程信号，u(x，t)是测量点x处的响应时间历程信号，ω_i和W_i是固有频率和模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号；

当力锤激励频率ω趋于第阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

本实施例中，用钢网架结构(5×0.5×0.5m)模拟桥梁，用锤击法对桥梁模型激励。激励力由力锤上的力传感器采集。在激励的同时，用高速摄像机对桥梁模型进行拍摄，记录其振动的时序图像，使用高速摄像机自带的数字图像采集软件Photron FASTCAM Viewer控制采集过程。

对于DIC系统首先调整好三脚架使，利用水平仪使其水平，然后安装CCD摄像机，通过控制电脑的图像反馈移动调整适合的试样工作距离，最后旋转微调使相机和试样保持水平平行。

运行电脑上的软件ic-Snap，先将相机光圈调至最大，根据电脑上的图像的亮暗程度调节光圈至合适的位置，之后调整相机上的焦距使控制电脑能看到清晰的图片，然后配合调整Vic-Snap中的曝光时间，直至在Vic-Snap界面上形成最清晰的明暗程度适中的图像。再调整PFV-Ver中的曝光时间，直至PFV-Ver界面上形成清晰的明暗程度适中的图像，最后设置采集频率，该采样频率与力锤装置采样频率一致。在Vic-Snap界面上设置采集频率，获取参考图像。

实验开始，力锤锤击某一节点，使结构激励起来，力锤传感器把采集到时程信号传送到控制电脑，与此同时，照相机通过实时摄像动态采集结构的振动图像信号并传送至控制电脑，

照相机采集的图像信号无法直接获得位移信号，我们需要导入MATLAB所编写的相关分析法的程序中进行初步数据处理。得到所需要的变形前变形后图像后，然后运用MATLAB对时序图像相关性进行数据处理。两幅图像的相关性公式表示为：

其中x，y为图像的像素坐标，I(x，y)，J(x，y)是变形前后两幅图像的灰度，B是图像参考子区面积。

如图2所示，参考子区在变形后图像以位移为(Δx，Δy)范围内按一定搜索方法进行相关计算、跟踪匹配，找到与参考子区相关系数最大值的位置。当参考子区同时向下移动16个像素，向右移动11个像素时(或者在所在的行和列分别移动16行和11列)；也就是当Δx＝11，Δy＝16时，此时参考子区移动到以p₀为中心的变形子区，此时参考子区与变形子区相关系数取极值为1，也即Δx＝11，Δy＝16就是位移响应。图2中(a)图是变形前图像，(b)(c)分别是发生平移变形时的图像。

针对存储的图像，运行软件Vic-2D，分析试样在变形过程中的位移场。力锤激励为输入信号，DIC图像位移为输出信号，把计算得到的位移时程曲线和试验得到的激励力时程曲线按时间顺序对应起来，导入JMTEXT动态信号测试分析软件中，对DIC系统得到的图像位移响应信号和力锤激励系统得到的激励力信号进行模态分析。通过实验模态分析理论可以得到结构基于DIC的频响函数：

其中，f(ξ，t)是激励点(ξ)的激励时间历程信号，u(x，t)是测量点(x)处的响应时间历程信号，ω_i和ω是固有频率和激励频率，W_i是模态振型，c_i是模态阻尼，ω为力锤激励频率，i和j是虚数符号。

当力锤激励频率ω趋于第阶固有频率ω_i时，则该阶模态在频响函数中起主导作用，所以频响函数的极值点对应桁架结构的固有频率，由此得出桁架结构的固有频率和振动模态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。