A SUMMARY REVIEW OF VIBRATION-BASED
DAMAGE IDENTIFICATION METHODS
Scott W. Doebling, Charles R. Farrar, and Michael B. Prime
Engineering Analysis Group
Los Alamos National Laboratory
Los Alamos, NM
ABSTRACT
This paper provides an overview of methods to detect, locate, and characterize damage in structural and mechanical systems by examining changes in measured vibration response.Research in vibration-based damage identification has been rapidly expanding over the last fewyears. The basic idea behind this technology is that modal parameters (notably frequencies, mode shapes, and modal damping) are functions of the physical properties of the structure (mass,damping, and stiffness). Therefore, changes in the physical properties will cause detectable changes in the modal properties. The motivation for the development of this technology is presented. The methods are categorized according to various criteria such as the level of damage detection provided, model-based vs. non-model-based methods and linear vs. nonlinear methods.The methods are also described in general terms including difficulties associated with their implementation and their fidelity. Past, current and future-planned applications of this technology to actual engineering systems are summarized. The paper concludes with a discussion of critical issues for future research in the area of vibration-based damage identification.
INTRODUCTION
The interest in the ability to monitor a structure and detect damage at the earliest possible stage is pervasive throughout the civil, mechanical, and aerospace engineering communities. For the purposes of this paper, damage is defined as changes introduced into a system, either intentional or unintentional, which adversely effect the current or future performance of that system. These systems can be either natural or man-made. As an example, an anti-aircraft missile is typically fired to intentionally introduce damage that will immediately alter the flight characteristics of the target aircraft. Biological systems can be unintentionally subject to the damaging effects of ionizing radiation. However, depending on the levels of exposure, these systems may not show the adverse effects of this damaging event for many years or even future generations. Implicit in this definition of damage is that the concept of damage is not meaningful without a comparison between two different states of the system, one of which is assumed to represent the initial, and often undamaged, state. Most currently used damage identification methods are included in one of the following categories: visual or localized experimental methods such as acoustic or ultrasonic methods, magnetic field methods, radiography, eddy-current methods or thermal field methods (Doherty, 1997). All of these experimental techniques require that the vicinity of the damage is known a priori and that the portion of the structure being inspected is readily accessible. The need for quantitative global damage detection methods that can be applied to complex structures has led to the development and continued research of methods that examine changes in the vibration characteristics of the structure. The increase in research activity regarding vibration-based damage detection is the result of the coupling between many factors. These factors can be generally categorized as spectacular failures resulting in loss of life that have received ample news media coverage, economic concerns, and recent technical advancements. Failures such as the in-flight loss of the exterior skin on an Aloha Airlines flight in Hawaii and the resulting media coverage focus the publicrsquo;s attention on the need for testing, monitoring, and evaluation to ensure the safety of structures and mechanical systems used by the public. The publicrsquo;s concerns, in turn, focus the attention of politicians on this issue and, hence, industry and regulatory agencies are influenced to provide the funding resources necessary for the development and advancement of this technology. The current state of aging infrastructure and the economics associated with its repair have also been motivating factors for the development of methods that can be used to detect the onset of damage or deterioration at the earliest possible stage. Finally, technological advancements including increases in cost-effective computing memory and speed, advances in sensors including noncontact and remotely monitored sensors and adaptation and advancements of the finite element method represent technical developments that have contributed to recent improvements in vibration-based damage detection. Additional factors that have contributed to these improvements are the adaptation and advancements in experimental techniques such as modal testing (most recently by the civil engineering community), and development of linear and nonlinear system identification methods. Recently, a workshop specific to the topic of vibration based health monitoring was held at Stanford University (Chang, 1997).
It is the authorsrsquo; speculation that damage or fault detection, as determined by changes in the dynamic properties or response of systems, has been practiced in a qualitative manner, using acoustic techniques, since modern man has used tools. More recently, this subject has received considerable attention in the technical literature where there has been a concerted effort to develop a firmer mathematical and physical foundation for this technology. However, the basic idea remains that commonly measured modal parameters (notably frequencies, mode shapes, and modal damping) are functions of the physical properties of the structure (mass, damping, and stiffness). Therefore, changes in the physical properties, such as reductions in stiffness resulting from the onset of cracks or loosening of a connection, will cau
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对基于振动的损伤识别方法总结
摘要
本文提供了一个概述的方法，通过检查测得的振动响应变化，能在结构和机械系统进行检测，定位和表面损坏。基于损伤识别已经在过去的几年迅速扩大，这项技术背后的基本思想是，模态参数（特别是频率，模态振型和模态阻尼）的结构的物理性质（质量，阻尼和刚度）的功能。因此，物理性质的变化会导致检测到的模态特性的变化。这项技术的发展的动机已经被展示，该方法是根据不同的标准，如损伤检测的水平，基于模型与非模型为基础的方法和线性与非线性方法。这些方法在一般情况下在实施与准确度存在困难。过去，现在和未来计划中的应用这一技术的实际工程系统进行了总结。本文的结论与讨论的关键
简介
在土木，机械和航空航天工程社区，人们普遍对其监测结构和检测损害的能力感兴趣。为目的本文的定义是一个变化的系统，无论是有意或无意的，这对当前或未来的性能将会产生不利影响。这些系统可以是自然的或人为的。举一个例子，一个防空导弹通常是被故意损坏，会立即改变目标飞行器的飞行特性。生物系统可以被无意地受到电离辐射的破坏。然而，这取决于曝光的水平，这一损害事件的许多年甚至未来几代，这些系统可能不会显示这种破坏性事件的不利影响。因此损害的概念是没有意义的，没有一个比较，不同的国家之间的他系统，其中一个经常损坏的情况，被假定为初始的代表情况。
目前使用的大多数损伤识别方法包括以下类别：视觉的或局部的实验方法，如声波或超声波方法，磁场的方法，涡流法或热场法（多尔蒂，1997）。有了这些实验技术要求，附近结构的损害是很容易被检查。定量的整体损伤检测方法，可应用于复杂结构的需求，并进一步研究结构振动特性变化。振动的损伤检测的研究活动的增加，是由于耦合的结果以及许多因素。这些因素通常被归类为巨大的失误导致损坏，已经产生了大量新闻媒体报道，经济问题，和近期科技问题。
结构的损伤如在阿罗哈航空公司的航班在夏威夷和由此产生的媒体报道令公众对此注意，需要外部的飞行损失监测，和安全性能评估以确保公众使用的工程结构和机械系统的安全性。在公众关注焦点的这个问题上，政治家们表示关注，因此，行业和监管在机构的影响下提供资金资源，来揭示这一技术的发展和进步的必要。老龄基础设施和经济相关的无线网络的当前状态它的修复也促进其发展的方法质疑，在最早的阶段，可用于检测结构的损害或恶化。最后，技术的优点包括成本效益的计算内存和速度的增加，包括非接触式传感器和远程监控的传感器和有限元法的适应也代表了技术的发展，有助于最近改进的振动为基础的损伤检测。有了这些改进的附加因素，有助于在实验技术如模态试验方法和进展（最近由土木工程界），以及线性和非线性系统辨识方法的发展。最近，一个主题以检测振动为基础进行监测的研讨会在斯坦福大学（Chang，1997）举行。
作者的猜测是损坏或故障检测，是通过在动态性能和响应系统的变化决定的，定性的方式已被实践，是利用声学技术。最近，这个问题已经得到相当的重视，在技术文献中学者协调一致的努力，开发一个坚实的数学和物理技术基础。然而，基本的想法仍然是常用的测量模态参数（特别是频率，模态振型和模态阻尼）的函数，以及该结构的固有特性（质量、阻尼和刚度）。因此，在物理性质的变化上，如减少刚度造成的裂缝或松动的连接，会导致检测到的这些模态特性的变化。因为在模态特性或来自这些数量的属性的变化被是做损害指标，基于振动的损伤检测，其过程最终将会减少某种形式的模式识别问题。
在振动特性的变化是已知的结构中，结构的损伤是非常直观的，你可能会问的问题：为什么这项技术已经采取了这么长的时间，且正式和现代工程界普遍采用？答案是，有几个复杂因素使得基于振动的损伤识别难以在实践中实现。首先，标准模态属性代表一种数据压缩形式。从测得的响应时间特性的历史估计实验。一个典型的历史时间可能有1024个数据点，如果测量是在100点，有102400个关于当前结构状态的信息。对于这一讨论，通常从平均获得的额外的数据将不被视为提供补充数据，而是提高100测量的精度。通过系统识别的程序，通常称为实验模态分析（Ewins，1984）。这样的数据量减少到一定数量的谐振频率、振型和阻尼值，这一数据压缩是因为模态质量实体很容易想象。解释了在振动系统的标准数学建模方面对比历史时间的实际测量。如果二十个真实模式确定，然后将102400条信息将被减少到2020 - 10个信息（20个模式，每个组成的1个共振频率值，1个模态阻尼值和2040个0模态振幅值）。
直观地说，在这个系统识别过程中，不可避免的会丢失结构当前状态的信息。事实是损失的信息是经常发生的，对于一个线性系统的模态特性是独立的减少信号特征（振幅和频率的内容）和位置信息的减少，而历史上却实实在在的发生了。此外，如果输入响应的频率不是用指定的数据采样参数识别的，不提供任何信息以更高的频率响应特性的结构，导致测量的时间历程响应。在响应测量的频率范围内，它往往是很困难去识别所有模式的，不助于测量，因为在频率之间的紧密间隔的模式的耦合。这种更普遍的更高的高频部分的频谱是很难观察到的，模态密度通常是更大的。另外，偏见介绍（或系统）的错误，如那些从数据窗口中出现的频率，有限频率分辨率，和那些来自于不断变化的环境条件，在测试过程中，往往会使识别的模态参数不代表了真正的动态特性结构。
另一个复杂因素是因为损坏通常是局部现象的事实。局部反应是更高的频率模式，而低频率模式往往难以捕获结构的全部信息，对结构的局部变化不敏感。从测试的角度来看很难激发一个结构的更高的频率响应，要在这些高频去衡量低频处的反映需要越来越多的能量需求。这些因素加上时间历史上必要的减少，导致的信息丢失，并使测量模态特性增加了振动损伤识别过程中的困难。这些因素限制了这项技术，只有通过有限的实践去研究此工程领域。
这里存在一个逻辑的问题，为什么不直接检查的时间历程的迹象？答案是，尽管该损伤检测十分困难，但考虑历史时间更加困难。通过直接检查响应时间的历史，要识别的损害已经发生的变化是一个非常困难的问题。如果构件的变化和/或环境条件的变化，这个过程变得更加困难。然而，应该指出的是，在一种情况下，系统的响应变化，从线性到非线性，时间历史单独（实际上它们的频域功率谱）可能是足够的。一般情况下，正确的识别要求的损害的位置是通过先行实验，通常是在旋转机械轴承松动的情况下。检测旋转机械非线性振动行为的发生，是最广泛使用的基于振动的损伤识别（Wowk，1991）。
尽管有上述的困难，学者仍然提出了基于振动的损伤检测在过去的20-30年产生的动态数据结构损害检查标志的新方法。这些方法有更广泛的应用。此应用程序的最突出的例子之一是美国航空航天局的航天飞机模态检测系统（狩猎，等，1990）。因为由于热防护系统造成的外部表面困难，建立了基于振动的损伤检测系统。该系统具有确定的损害，避免传统的无损检测方法难以接近损害部位，并且已被采纳为航天飞机结构的标准检查工具。
损伤识别方法分类
损伤对结构的影响可以分为线性或非线性。线性损伤的情况下被定义为在最初的线性弹性结构保持弹性后的情况下损伤。模态性质的变化是由于结构的几何或材料性质变化的结果，但仍可以用线性方程来模拟结构的响应运动。线性方法可以进一步分类为基于模型和非基于模型。基于模型的方法假设结构响应监测，存在一些预定的方式，可以准确分别采用有限元分析，如响应由欧拉-伯努利梁理论描述。
非线性损伤被定义为在初始线性弹性结构的行为的情况下，在一个非线性的方式下损坏。非线性损伤的一个例子是在正常工作振动环境下，随着打开和关闭，会形成疲劳裂纹。其他的例子包括松散连接，如所表现出的聚合物的振动和非线性材料的行为。大多数的研究报告在技术文献探讨的线性损伤检测的问题。
损伤识别方法的另一个分类系统定义了损伤识别的四个层次，如下（Rytter，1993）：
第1级：结构中存在损害的确定
第2级：1级加上损坏的几何位置的确定
第3级：2级加量化损伤的严重程度
第4级：3级加上预测结构剩余使用寿命
至目前为止，以振动为基础的，不采用结构模型的损伤识别方法，主要提供1级和2级损伤识别。以振动为基础的方法，再加上一个结构模型，在某些情况下，可以得到3级损伤识别。4级预测一般采用断裂力学领域相关，疲劳寿命分析，或结构设计评估领域，在本文不做讨论 。
损伤识别技术的另一类分类方法，用于连续监测的结构性能，应用程序的区别适用于极端情况引发的损伤检测。举一个例子，一个系统，采用连续或间歇从传感器加速度计测量永久安装于桥，从一个系统去采集不同信息是很困难的，除了期间和紧随其后的地震或飓风。应该指出的是，这些情况之间的主要区别与传感器和数据采集系统。通常，相同类型的分析技术可以应用于数据来确定结构的完整性。
基于基本模态变化的损伤识别
许多其他研究人员已经尝试检查的基本模态的变化，遇到的问题类似于那些在海上石油工业中产生的问题。在这种背景下基本模式属性将被定义为谐振频率，模态阻尼，和模式形状向量。
频率的变化
与共振频率的变化的损伤检测的相关文献数量是相当大的。Salawu（1997年）发表了一个优秀的评论关于损伤诊断的模态频率变化。在结构特性变化引起的振动频率的变化是使用模态的损伤识别和动力监测的方法。文献数量庞大，并不是所有的论文，作者在本课题的参考文献列表中包含的。更彻底的审查和参考列表可以找到Doebling（1996年）。其已经作出了努力，包括早期工作的主题，一些文件代表在这方面做的不同类型的工作和文件，被认为是作者在这方面的重要贡献。
提出的问题
之前的问题，通常属于1级损伤识别的类别，由计算频率偏移从已知类型的损害。通常情况下，通过数学建模，然后测得的频率与预测的频率进行比较，以确定损坏。这种方法被广泛使用的先前提到的海上石油工业调查。
考利和亚当斯（1979）给出一个制定检测复合材料频率变化的损伤。他们从不同模式的频移之比开始。一个可能的损伤点的和一个错误的术语被认为是测量频率的变化，预测模型的基础上的局部刚度减少。每一个潜在的损伤位置都有一种模式，并对给出的最低错误指示的损坏位置。该方法不考虑可能的多个损伤位置。特别考虑了复合材料的各向异性行为。
逆问题
逆问题，这是典型的2级或3级损伤识别，包括损伤参数，通过频率的变化，计算如裂纹长度和位置。Lifshitz和Rotem（1969）目前可能是第一个在本杂志上提出了通过振动测量检测损伤的文章。他们在看动态模量的变化，这是频率相关具体的转变，表明在粒子填充弹性体的损伤的动态模量，这是在动态载荷下的拉伸和旋转的应力-应变曲线的斜率，计算从测得的应力-应变关系的曲线拟合，在不同程度上的测试文章。
Stubbs 和Osegueda（1990a，1990b）开发了一种使用模态频率的变化检测损伤的方法，是基于由Cawley和Adams作品，结构灵敏度的损伤检测方法（1979）。在该方法中，每个模式的错误函数和每个结构构件的计算假设只有一个单元被损坏。最大限度地减少这个错误的单员被确定为损坏的单员。这种方法被证明比他们以前的方法中的单员的数目是远远大于测量模式的数目的情况下，能产生更精确的结果。作者指出，这种频率变化的灵敏度方法依赖于使用一个有限元计算的灵敏度矩阵。这一要求增加了计算负担，这些方法，也增加了依赖于一个准确的先验模型。为了克服这个缺点，Stubbs等。（1992）制定了一种方法，在使用模式形状曲率变化的方法，提出了一种损伤指数法。
基于动态测量的柔性方法
另一类损伤识别方法利用动态测量的柔性矩阵来估计结构静态行为的变化。因为弹性矩阵被定义的静刚度矩阵的逆方法，弹性矩阵涉及所施加的静力和由此产生的结构位移。因此，每一列的灵活性矩阵表示在相应的自由度下使用的单位力的结构的位移模式。测得的弹性矩阵可以从质量标准化测量模式的形状估计频率。由于只有前几阶振型的结构通过这种方法的灵活性矩阵公式是近似的（通常是最低的测量频率模式）的测量。完整的静态的灵活性矩阵的合成，将需要测量的所有模式的形状和频率。
基于更新结构模型参数的方法
另一类损伤识别方法，是在模型的基础上修改结构模型矩阵，如质量，刚度和阻尼尽可能准确的测得静态或从数据的动态响应。这些方法解决了更新的矩阵（或扰动的标称模型，产生更新的矩阵），形成一个约束的优化问题基于结构的运动方程，标准模型与实测数据。更新矩阵的比较原始的相关矩阵提供一个指示的损坏，可以用来量化的位置和损害程度。该方法使用一个共同的基本方程组，在不同的算法的差异可以被分类如下：
1.目标函数最小化
2.在结构模型上的约束
3.用于实现优化的数值格式
危害辨识与损伤监测研究的关键问题
本节包含一个总结的关键问题，通过作者的认知，以实际的振动为基础进行结构损伤识别和损伤监测。这一节背后的目的是要关注的问题，必须解决的问题，未来的研究，以使识别损坏使用振动测量一个可行的，实用的，普遍实现的技术。
一个问题的首要问题是依赖于先验分析模型或以前的测试数据和位置的损害。许多算法假定获得一个详细的有限元结构，而另一些人则认为，假设数据对与完好的结构是可以使用的。通常情况下，这种类型的数据缺乏可用性，可以使某些应用程序采用不切实际的方法。虽然这是值得怀疑的，但所有依赖于以前的模型和数据可以减少使用来减少对结果的影响。
对基于振动特性来进行损伤识别的最后一个说明，在未来的研究中，振动的损伤识别领域有着显著的需要，在这一领域的理论算法与应用程序特定的知识基础和实际的实验约束需要整合。例如，大多数基于振动的损伤识别理论同样适用于机身和公路桥。然而，现实生活中的振动的机身和公路桥梁监测在设备和技术方面完全不同。但大多数（如果不是全部）在文献中提出的损伤识别技术不考虑这些差异。
总体而言，作者的意见存在足够的依据，来促进使用测量振动数据来检测结构的损坏，使用两个强制响应测试环境信号的长期监测。很明显，这是让特
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