JP4069977B2

JP4069977B2 - Structure health diagnosis system

Info

Publication number: JP4069977B2
Application number: JP2003097668A
Authority: JP
Inventors: 俊之大島; 修一三上; 智之山崎
Original assignee: 北海道ティー・エル・オー株式会社
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2023-04-01
Also published as: JP2004301792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、構造物の健全度診断システムに関する。より詳細には、本発明は、構造物の微小な変状による影響を検出することができ、及び／又は、微小欠陥による振動モードの変化をリアルタイムで検出することができる、構造物の健全度診断システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物の健全度の診断は、基本的に、目視による診断に委ねられており、目視で異常が発見された場合には、詳細点検を行うことになっているが、一般的には、装置を用いた診断・補修は行われていなかった。
一方、昨今、コンクリート片等の落下事故が多発しており、構造物の変状を調査するために、最近になってハンマーによる打音検査が導入されるようになってきたが、この方法は、ハンマーの重量、叩き方、人間の耳で聴いた音で判断する等、変状を定量的に判断することができず、再現性もなかった。
また、構造物に圧電素子（ＰＺＴ）を貼付し一定の周波数域で加振して構造物のモード解析を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された発明は、低周波数域での振動モードの変化を観察して構造物の全体的な損傷を検知することを付加し、かつ、ＰＺＴの高周波数域での電気インピーダンスの変化を検知するようになっている。しかし、本来、構造物の損傷の個所を特定するには、損傷によって生ずる反射波をＰＺＴによって検出し、反射波の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度から損傷位置を同定する必要がある等、損傷個所の特定に時間を要する等の問題点があった。
【０００３】
このような状況に鑑みて、本出願人は、構造物の損傷個所を容易に特定することができる健全度診断装置を提案している（特許文献２参照）。
また、構造物に複数のセンサを配置し、構造物に打撃等の衝撃的な外力を加えて、振動する状況を時刻歴応答波形として固有振動数（主として、鉛直曲げ１次振動数）を計測する方法も提案されている（特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−９９７６０号公報
【特許文献２】
特願２００１−３０５８６４号
【特許文献３】
特開２００２−２２５９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２に記載された方法は、構造物の損傷個所の特定を可能にした点で有意義なものであるが、加振個所が１個所のみであるため、多数の高次振動モードを特定することが困難であり、従って、構造物の微小な変状による影響を検出しにくいという問題があった。
また、構造物の欠陥は本来、局所的に発生するものが大半であるにもかかわらず、特許文献３に記載された方法では、局所的な変状を同定することができないという課題があった。
さらに、従来の方法では、計測値を周波数解析する必要があったため、リアルタイムで振動モードの変化を検出することができなかった。
【０００６】
したがって、本発明は、構造物の微小な変状による影響を検出することができる健全度診断システムを提供することを目的としている。また、本発明は、微小欠陥による振動モードの変化をリアルタイムで検出することができる健全度診断システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１に記載の健全度診断システムは、構造物に局部振動を与える加振装置と、加振装置に送られる電気信号を増幅する電圧増幅アクチュエータ駆動部と、電気信号を発生させる電気信号発生部と、低次から高次までの振動モードにおける構造物の振動パラメータを、構造物の健全時の振動パラメータと比較して評価することにより構造物の変状個所を推定する変状推定部とを備え、該変状推定部が、各振動モードにおける構造物の振動パラメータの理論値を算出する理論値算出部と、構造物の振動パラメータの実測値を前記理論値と比較して評価する評価部とを有し、前記理論値算出部が、構造物の材質や形状等から構造物に関する定数を同定するとともに、構造物の変状を想定して構造物に関する定数を変化させることにより、各振動モードにおける変状時の振動パラメータを算出して蓄積する健全度診断システムであって、前記加振装置が、複数の振動付与装置が規則的に配列されたアレー式であることを特徴とするものである。
【０００８】
本願請求項２に記載の健全度診断システムは、前記請求項１のシステムにおいて、構造物に所望の高次の振動モードを励起することができるように、前記アレー式加振装置に送信する波形を作成する手段を備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項３に記載の健全度診断システムは、前記請求項２のシステムにおいて、前記波形を作成する手段が、標準波形を作成する機能と、任意波形を作成する機能とを有していることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項４に記載の健全度診断システムは、前記請求項３のシステムにおいて、前記任意波形を作成する機能に、所定の波形関数式を用いて任意波形を作成する機能と、直線補間によって任意波形を作成する機能と、スプライン補間によって任意波形を作成する機能とが含まれることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項５に記載の健全度診断システムは、前記請求項１から４までのいずれか１項のシステムにおいて、前記加振装置が、積層圧電アクチュエータを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項６に記載の健全度診断システムは、前記請求項１から５までのいずれか１項のシステムにおいて、前記加振装置が、複数の携帯端末機からの指令によりリレー式に制御され、遠隔個所から構造物に振動を与えることができるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本願請求項７に記載の健全度診断システムは、前記請求項１から６までのいずれか１項のシステムにおいて、構造物の振動に対する応答を計測するため、構造物にアレー式計測装置が配置されることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る健全度診断システムについて詳細に説明する。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る健全度診断システムは、診断しようとする構造物に振動を与えるアレー式加振装置１２と、アレー式加振装置１２に送られる電気信号を増幅する電圧増幅アクチュエータ駆動部１４と、電気信号を発生させる電気信号発生部１６とを備えている。
【００１５】
なお、本明細書において「アレー式」とは、複数の装置が規則的に配置されることを意味している。ここで、「規則的」とは、隣接する装置間の間隔が互いに等しい場合のみならず、当該間隔が互いに等しくはないが所定の規則で定められているような場合をも含むことを意味している。
【００１６】
電気信号発生部１６としては、例えば、複数のチャンネルを有するマルチファンクションシンセサイザが使用される。電気信号発生部１６において電気信号を発生させる場合には、電気信号発生部１６自体において個々の波形を作成する場合と、波形作成ソフトウェアを用いて波形を作成する場合とがある。
【００１７】
波形作成ソフトウェアでは、複数の加振装置１２が相互に連動して、構造物に所望の高次の振動モードを励起することができるように、複数の加振装置１２に送信する波形（例えば、波形の振幅、位相遅れ、継続時間、周波数成分など）が計算される。
【００１８】
波形作成ソフトウェアを用いる場合には、該ソフトウェアをインストールしたパーソナルコンピュータ１８をインタフェースを介して電気信号発生部１６に接続し、パーソナルコンピュータ１８において所望の波形を作成した後、該波形が電気信号発生部１６に送られる。波形作成ソフトウェアは、標準波形（例えば、正弦波、余弦波）を作成する機能の他、任意波形を作成する機能（例えば、所定の波形関数式を用いて任意波形を作成する機能、点と点を直線的に結ぶ直線補間によって任意波形を作成する機能、スプライン関数に従って複数の点を曲線で結ぶスプライン補間によって任意波形を作成する機能）を有しており、複数の連続する任意波形を作成することができる。また、波形作成ソフトウェアでは、波形作成機能によって作成された波形を編集（例えば、コピー、カット、ペースト）することができ、波形を縦方向及び／又は横方向に圧縮・伸長することもできるとともに、四則演算を用いて複数の波形を合成し任意の波形を作成することもできる。波形作成ソフトウェアを用いて作成された波形は、上述のように、電気信号発生部１６に送られるが、パーソナルコンピュータ１８の記憶手段（例えば、ハードディスク）に保存することもできる。
【００１９】
パーソナルコンピュータ１８から電気信号発生部１６に送られた波形、及び、電気信号発生部１６自体で作成された波形は、電気信号発生部１６の記憶手段に保存される。電気信号発生部１６から電圧増幅アクチュエータ駆動部１４に波形の電気信号を送る際には、電気信号を異なるチャンネルから同時に送信することができる他、各チャンネル毎にトリガリレーを設定することにより、各チャンネル間で時間差を設けて送信することができる。また、各チャンネル毎に別波形の電気信号を送信することができる。さらに、一方のチャンネルから送信される波形に対して、同一の周波数で位相の異なる波形、周波数比が一定の波形、周波数差が一定の波形などの波形を、他方のチャンネルから送信することができる。
【００２０】
所望の波形の電気信号が、電気信号発生部１６の指定したチャンネルから電圧増幅アクチュエータ駆動部１４に送られて増幅された後、指定したチャンネルに対応するアレー式加振装置１２に送られて、構造物に振動を与える。
【００２１】
アレー式加振装置１２は、典型的には、構造物の表面に貼付される積層圧電アクチュエータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、積層圧電アクチュエータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを構造物に一定負荷で押付ける付勢手段（図示せず）とを含む。付勢手段としては、バネを利用して構造物に押付ける型式のもの等があるが、本発明の要旨を構成しないので、詳細な説明は省略する。
【００２２】
健全度診断システム１０は又、構造物に与えられた振動による応答を計測するアレー式計測装置２０と、計測した結果から振動モードを求める実験モード解析部２２と、構造物が健全時から変化した状態を推定する変状推定部２４とを備えている。
【００２３】
アレー式計測装置２０は、典型的には、小型の半導体型加速度計であり、予測される振動モードの形状に応じて、必要な個数（図１では、２０ａ、２０ｂ、２０ｃの３個が図示されている）がアレー状に配置される。なお、アレー式計測装置２０として、レーザ式変位測定器、圧電素子（機械的な歪みを電圧に変換するピエゾ圧電効果を利用して位相の変化を観測するもの）等を用いてもよい。アレー式計測装置２０による計測は、健全時と変状時の両方において行う。
【００２４】
実験モード解析部２２においては、アレー式計測装置２０で計測した構造物の変位等から、各振動モードの固有振動数が求められる。すなわち、実験モード解析部２２では、構造物の振動に対して計測された変位を周波数毎の波に分解し、各周波数における振幅を取り出して、振幅が卓越する個所を固有振動数の近傍とする。或いは、計測された変位をフーリエ変換してパワースペクトルを求め、パワースペクトルが卓越する個所を固有振動数としてもよい。なお、実験モード解析部２２においては、構造物に与えられた振動の周波数域に応じて、低次から高次の振動モードが現出する。
【００２５】
変状推定部２４は、診断しようとする構造物の固有振動数の理論値を算出する理論値算出部２６と、固有振動数の実測値と固有振動数の理論値とを対比して評価する評価部２８とを有している。
【００２６】
理論値算出部２６では、構造物（健全な状態、即ち正常な状態の構造物、及び、亀裂や損傷等の変状を含んだ状態の構造物）をモデル化し、有限要素法（ＦＥＭ）等を用いて、健全時及び種々の変状時に対応する構造物の低次から高次の振動モードにおける固有振動数の理論値を求め、予め蓄積しておく。変状の例としては、ボルトの弛緩、構造物の亀裂や損傷、構造物の腐食、及びこれらの組合せがあげられる。なお、固有振動数の理論値を求める際に、多数の離散値を有する最適化問題に有効であると考えられている遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm 、以下「ＧＡ」という）を用いるのが好ましい。ＧＡでは、構造物をモデル化したものを幾つか個体として与え、探索空間の中で遺伝的操作を行って、遺伝子を交叉させた個体や遺伝子が突然変異した個体を発生させることより、構造物の種々の変状を想定して評価する。
【００２７】
ＧＡを用いた定数の同定についてより詳細に説明する。構造物の固有振動数の理論値の算出の際に用いられる定数は、理論値として求めることができるが、実測値に即したものとするために、ＧＡを用いて定数の同定を行うのが望ましい。まず、ＧＡにおける個体の遺伝子情報にバネ定数や変状位置を対応させる。この個体のもつ遺伝子情報とその固有振動数の理論値とを対応づけたデータである人工集団を作成し、評価部２８に入力する。次いで、実験モード解析部２２で求めた実測値を入力する。そして、各個体に対してＦＥＭを用いて各振動モードの固有振動数の理論値を計算し、適応条件に基づいて評価する。その際、ＦＥＭで求めた固有振動数の理論値と実験モード解析部２２で解析した固有振動数の実測値との差分が小さい程、適応度が高いと判断する。
【００２８】
適応度の判断の一例として、
【数１】

が用いられる。数１は、固有振動数の理論値と固有振動数の実測値との差分の２乗の総和であるが、数１で示される値が小さい程、適応度が高いと判断する。この他、固有振動数の理論値と固有振動数の実測値との差分の絶対値で適応度を判断してもよい。
【００２９】
ＧＡでは、全ての個体に対して適応度を見て、適応度の高い個体を増やしていくようにする。以上のように、何世代も演算を行い、適応度が収束した時点で最適解の個体（モデル）を得る。
【００３０】
このようにして、評価部２８では、理論値算出部２６で求めた固有振動数の理論値と実験モード解析部２２で求めた実測値とを対比して評価し、蓄積されている理論値から実測値に最も近いものを検索することによって、変状個所を同定する。
【００３１】
以上のように構成された健全度診断システム１０の作動について説明する。いま、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、Ｈ形鋼の供試体の左右両側に支柱を配置し、支柱にＬ形支持板を溶接で固定し、Ｌ形支持板に供試体を載せて、片側４本のボルトによって供試体とＬ形支持板を連結した装置において、構造物の健全度の診断の一例として、ボルトが弛緩しているか否かを診断する場合（ボルトが堅結されている状態を健全時、ボルトが弛緩している状態を変状時とする）を想定する。
【００３２】
ボルトが弛緩している状態を図３に示す。すなわち、図３において、ＣＡＳＥ１が健全な状態（ボルトが弛緩していない状態）であり、ＣＡＳＥ２，ＣＡＳＥ３，ＣＡＳＥ４，ＣＡＳＥ５，ＣＡＳＥ６，ＣＡＳＥ７，・・・が変状状態（ハッチングを施したボルトが弛緩しているボルトを表す）である。
【００３３】
まず、供試体の所望の個所に、アレー式加振装置１２とアレー式計測装置２０を取付ける。次いで、波形作成ソフトウェアを用いて供試体に加える波形を作成し、該波形の電気信号を電気信号発生部１６を介して電圧増幅アクチュエータ駆動部１４に送って増幅する。そして、増幅された該波形の電気信号をアレー式加振装置１２に送って、供試体に振動を与える。
【００３４】
一方、変状推定部２４の理論値算出部２６において、ＧＡを用いて、構造物の種々の状態を表すデータである人工集団を作成する。人工集団は、遺伝子情報と固有振動数の理論値に大別される。遺伝子情報では、ボルトが弛緩していない正常な状態を「０」と定義し、ボルトが弛緩している状態を「１」と定義する。すると、ＣＡＳＥ１，ＣＡＳＥ２，ＣＡＳＥ３，ＣＡＳＥ４，・・・・の遺伝子情報は、図４に示すように表される。次いで、各ケースにおける構造物の固有振動数の理論値Ｆ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ ，・・・・を求める。そして、各ケースにおける遺伝子情報と構造物の固有振動数の理論値とを対応づけたものが人工集団となる。
【００３５】
次いで、アレー式加振装置１２により与えられた振動によって発生した供試体の加速度応答波形をアレー式計測装置２０によって計測し、実験モード解析部２２において計測値から固有振動数を求める。そして、例えば、求めた固有振動数がＦ´₃ （≒Ｆ₃ ）であったとすると、供試体がＣＡＳＥ３の状態（即ち、ボルト▲１▼、▲２▼、▲５▼、▲６▼が弛緩している状態）にあると同定する。以上のようにして、健全度診断システム１０によって構造物の健全度を診断することができる。
【００３６】
次に、本発明の健全度診断システム１０の効果を実証するために行った試験について説明する。本試験では、供試体（広幅Ｈ形鋼：３５０ｍｍ×３５０ｍｍ×１２ｍｍ×１９ｍｍ、長さＬ＝２２００ｍｍ）の左右両側に支柱を配置し、支柱にＬ形支持板を溶接で固定し、Ｌ形支持板に供試体を載せて、片側４本のボルトによって供試体とＬ形支持板を連結した。なお、図２（ａ）に示されるように、供試体と支柱は、接触していない。本試験においては、供試体の接合部におけるボルトの弛緩を変状状態と考え、ボルトの弛緩状態を評価する実験・解析を行った。
【００３７】
加振装置となる積層圧電アクチュエータ（２基）、及び、計測装置となる加速度計（２基）は、図５に示されるように、５通り（配置１〜配置５）に配置した。また、供試体のボルト接合部をバネ要素としてモデル化し、ＦＥＭによる固有振動解析を行った。
【００３８】
本試験では、ボルト接合部を表すバネ要素の剛性を解析的に評価するため、ＧＡを用いてバネ剛性の同定を行い、損傷同定の可能性を検討した。モデル化に際しては、ボルトによるＨ形鋼と支持板との接触状況を３方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のバネ要素で表現し、バネ要素節点の回転方向の拘束条件（θ_X ，θ_Y ，θ_Z ）を固定とした。これらのバネ要素を支持板との接触面上の節点に所定数ずつ配置し、弛緩部分においてこれらのバネ要素剛性値を求めた。なお、ＧＡ解析においては、固有振動解析を繰り返し行うので、固有振動解析に要する時間が問題となるため、ＧＡ解析のモデルは、できるだけ簡略化したものとなるように注意した。
【００３９】
本試験では、積層圧電アクチュエータ自身の振動が供試体に確実に伝達されるようにするため、アクチュエータに負荷がかかるような反力板を設置して加振を行った（図２（ｃ）参照）。このとき、アクチュエータに作用する反力は、１００Ｎ程度とした。また、本試験における仮想的な健全状態は、図３のＣＡＳＥ１に示されるように、接合ボルトを全て締め付けた状態として、変状状態は、図３のＣＡＳＥ２，ＣＡＳＥ３，・・・・に示されるように、接合ボルトの一部を緩めた状態とした。
【００４０】
図６、図８、図１０、図１２及び図１４は、配置１〜５において測定した加速度応答波形をそれぞれ示した図であり、図７、図９、図１１、図１３及び図１５は、これらの加速度応答波形に対応するパワースペクトルをそれぞれ示した図である。これらの図を検討すると、全体として、測点１（１／２点）よりも測点２（１／４点）の方が、より多くのモード次数を拾うことができることが分かる。また、第１１次モード（この振動モードは、供試体の上フランジの捩りの３次モードに対応する）の結果を見ると、ＣＡＳＥ１では３３８．５Ｈｚ、ＣＡＳＥ３では３３５．３Ｈｚ、ＣＡＳＥ６では３３６Ｈｚである。この値の妥当性を確認するため、アクチュエータが１基の場合の周波数を求めると、ＣＡＳＥ１では３３８Ｈｚ、ＣＡＳＥ３では３３５．６Ｈｚ、ＣＡＳＥ６では３３８Ｈｚであった。さらに、第１３次モード（この振動モードは、供試体の下フランジの捩りの３次モード）の結果を見ると、ＣＡＳＥ１では３７３．２Ｈｚ、ＣＡＳＥ３では３６７．９Ｈｚ、ＣＡＳＥ６では３６９．６Ｈｚであり、これらに対応するアクチュエータが１基の場合の周波数は、ＣＡＳＥ１では３７３Ｈｚ、ＣＡＳＥ３では３６９Ｈｚ、ＣＡＳＥ６では３７３Ｈｚであった。以上より、ボルトが弛緩した状態（ＣＡＳＥ３、ＣＡＳＥ６）では、アクチュエータが２基の場合は、アクチュエータが１基の場合と比較して、周波数が明確に減少していることが分かり、変状状態の把握に有効であることが確認された。
【００４１】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４２】
たとえば、前記実施の形態では、ボルトの弛緩状態を構造物の変状状態とみなして説明しているが、構造物の亀裂や腐食のような他の変状状態についても、本システムを適用することができる。
【００４３】
また、前記実施の形態では、構造物の固有振動数に関連して健全度診断システムについて説明しているが、固有振動数以外の他の振動パラメータ、例えばモード減衰比、振動モード形などを用いてもよい。
【００４４】
また、前記実施の形態では、固有振動数の理論値を求めるのにＧＡを用いているが、ＧＡ以外の他の手法、例えばニューロネットワーク回帰分析、多変量解析、パターン認識解析などを用いてもよい。
【００４５】
また、前記実施の形態では、本発明の健全度診断システムがアレー式加振装置とアレー式加振装置の両方を備えたものとして説明されているが、アレー式加振装置とアレー式加振装置のいずれか一方のみを使用して構造物の健全度を診断してもよい。
【００４６】
さらに、図１６に示されるように、アレー式加振装置の個々のアクチュエータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃにＩＰアドレスを搭載し、複数の携帯端末機Ａ、Ｂ、Ｃからの送信により、これらのアクチュエータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃをリレー式に制御して、遠隔個所から構造物に振動を与えることができるように構成してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、診断しようとする構造物を加振するのにアレー式加振装置を用いるので、高次の曲げ振動モードや捩れ振動モードのような複雑な振動モードを励起することができ、これにより、構造物の微小な変状を検出することが可能になる。また、複数の加振装置が用いられるので、構造物に入力される加振エネルギーが大きくなり、これによっても、構造物の微小な変状の検出が容易になる。
【００４８】
また、本発明の方法によれば、診断しようとする構造物の振動応答を計測するのにアレー式計測装置を用いて多点の計測が同時に行われるので、ＦＦＴ処理を用いなくとも振動モードの変化を検出することができ、ランニングスペクトルによって振動数の比較がリアルタイムでできるとともに、多点の動きを画面に連動して表示し、時間的に変化する振動モードを計測して、欠陥の有無を比較することができ、従って、構造物の微小欠陥による振動モードの変化をリアルタイムで検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る健全度診断システムの全体概略図である。
【図２】図１のシステムの効果を実証するために行われた試験で使用した構造物を示した図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の線２ｂ−２ｂに沿って見た底面図、（ｃ）はアクチュエータの取付け詳細を示した図である。
【図３】図２の構造物のボルト接合部におけるボルトの種々の弛緩状態を示した図である。
【図４】理論値算出部において作成される人工集団の一例を示した図である。
【図５】試験におけるアクチュエータ及び加速度計の配置状態を示した図である。
【図６】配置１における加速度応答波形を示した図である。
【図７】図６の加速度応答波形に対応するパワースペクトルを示した図である。
【図８】配置２における加速度応答波形を示した図である。
【図９】図８の加速度応答波形に対応するパワースペクトルを示した図である。
【図１０】配置３における加速度応答波形を示した図である。
【図１１】図１０の加速度応答波形に対応するパワースペクトルを示した図である。
【図１２】配置４における加速度応答波形を示した図である。
【図１３】図１２の加速度応答波形に対応するパワースペクトルを示した図である。
【図１４】配置５における加速度応答波形を示した図である。
【図１５】図１４の加速度応答波形に対応するパワースペクトルを示した図である。
【図１６】本発明の健全度診断システムにおいて、アレー式加振装置を遠隔操作する形態を示した全体概略図である。
【符号の説明】
１０健全度診断システム
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）アレー式加振装置
１４電圧増幅アクチュエータ駆動部
１６電気信号発生部
１８パーソナルコンピュータ
２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）アレー式計測装置
２２実験モード解析部
２４変状推定部
２６理論値算出部
２８評価部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to a structural health diagnostic system. More specifically, the present invention can detect the influence of minute deformation of a structure and / or the soundness of the structure that can detect a change in vibration mode due to a minute defect in real time. It relates to a diagnostic system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, diagnosis of the soundness of a structure is basically left to visual diagnosis, and when an abnormality is visually detected, a detailed inspection is to be performed. There was no diagnosis or repair using the device.
On the other hand, there have been many accidents of falling concrete pieces and recently, hammering sound inspection has been introduced recently to investigate the deformation of structures. It was not possible to quantitatively judge the deformation, such as the weight of the hammer, how to strike it, and the sound heard by the human ear, and there was no reproducibility.
In addition, a method has been proposed in which a piezoelectric element (PZT) is attached to a structure and the structure is subjected to mode analysis by vibrating in a certain frequency range (see Patent Document 1). The invention described in Patent Document 1 adds the observation of the overall damage of the structure by observing the change of the vibration mode in the low frequency range, and the electrical impedance in the high frequency range of the PZT. Change is to be detected. However, originally, in order to specify the location of damage to the structure, it is necessary to detect the reflected wave caused by the damage by PZT and identify the damaged position from the position of the reflected wave on the time axis and the propagation speed of the elastic wave. There was a problem that it took time to identify the damaged part.
[0003]
In view of such a situation, the present applicant has proposed a soundness diagnostic apparatus that can easily identify a damaged portion of a structure (see Patent Document 2).
In addition, multiple sensors are placed on the structure, and impacts such as striking are applied to the structure to measure the natural frequency (mainly the primary bending primary frequency) with the vibration status as the time history response waveform. There has also been proposed a method (see Patent Document 3).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-99760 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application No. 2001-305864 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-22596
[Problems to be solved by the invention]
The method described in Patent Document 2 is meaningful in that it is possible to specify a damaged part of a structure, but since there is only one excitation part, a large number of higher-order vibration modes are specified. Therefore, there is a problem that it is difficult to detect the influence due to the minute deformation of the structure.
In addition, despite the fact that most of the defects in the structure originally occur locally, the method described in Patent Document 3 has a problem that local deformation cannot be identified. .
Furthermore, in the conventional method, since it was necessary to frequency-analyze the measurement value, it was not possible to detect the vibration mode change in real time.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a soundness diagnosis system that can detect the influence of a minute deformation of a structure. Another object of the present invention is to provide a soundness diagnostic system that can detect a change in vibration mode due to a micro defect in real time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The soundness diagnosis system according to claim 1 of the present application includes an excitation device that applies local vibration to a structure, a voltage amplification actuator driving unit that amplifies an electrical signal sent to the excitation device, and an electrical signal that generates an electrical signal. Generation part and deformation estimation part that estimates the deformation part of the structure by evaluating the vibration parameters of the structure in the vibration modes from the lower order to the higher order by comparing with the vibration parameters when the structure is healthy The deformation estimation unit calculates a theoretical value of the vibration parameter of the structure in each vibration mode, and evaluates the actual measurement value of the vibration parameter of the structure in comparison with the theoretical value. An evaluation unit, and the theoretical value calculation unit identifies a constant related to the structure from the material or shape of the structure, and changes the constant related to the structure assuming the deformation of the structure, each A soundness diagnostic system that calculates and accumulates vibration parameters at the time of deformation in a dynamic mode, wherein the vibration exciter is an array type in which a plurality of vibration imparting devices are regularly arranged. Is.
[0008]
The soundness diagnostic system according to claim 2 of the present application is the waveform transmitted to the array-type vibration device so that a desired higher-order vibration mode can be excited in the structure in the system of claim 1. It has the means to create.
[0009]
The soundness diagnostic system according to claim 3 of the present application is the system of claim 2, wherein the means for creating the waveform has a function of creating a standard waveform and a function of creating an arbitrary waveform. It is characterized by.
[0010]
The soundness diagnosis system according to claim 4 of the present application is the system according to claim 3, wherein the function for creating the arbitrary waveform includes an arbitrary waveform function using a predetermined waveform function formula and linear interpolation. A function of creating a waveform and a function of creating an arbitrary waveform by spline interpolation are included.
[0011]
The soundness diagnostic system according to claim 5 of the present application is characterized in that, in the system according to any one of claims 1 to 4, the excitation device includes a laminated piezoelectric actuator.
[0012]
The soundness diagnosis system according to claim 6 of the present invention is the system according to any one of claims 1 to 5, wherein the vibration exciter is controlled in a relay manner by commands from a plurality of portable terminals, The structure is characterized in that vibration can be applied to the structure from a remote location.
[0013]
The soundness diagnosis system according to claim 7 of the present application is the system according to any one of claims 1 to 6, wherein an array type measurement device is arranged in the structure in order to measure a response to the vibration of the structure. It is characterized by that.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a soundness diagnosis system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A soundness diagnosis system according to a preferred embodiment of the present invention generally indicated by reference numeral 10 in FIG. 1 includes an array-type vibration device 12 that applies vibration to a structure to be diagnosed, and an array-type vibration device 12. The voltage amplification actuator driving unit 14 that amplifies the electric signal sent to the electric signal and the electric signal generating unit 16 that generates the electric signal.
[0015]
In this specification, “array type” means that a plurality of devices are regularly arranged. Here, “regular” means not only the case where the interval between adjacent devices is equal to each other but also the case where the interval is not equal to each other but is defined by a predetermined rule. ing.
[0016]
As the electrical signal generator 16, for example, a multifunction synthesizer having a plurality of channels is used. When the electric signal generator 16 generates an electric signal, there are a case where the electric signal generator 16 itself generates individual waveforms and a case where a waveform is generated using waveform generation software.
[0017]
In the waveform creation software, a waveform (for example, a waveform to be transmitted to the plurality of vibration devices 12, for example, so that the plurality of vibration devices 12 can be linked to each other to excite a desired higher-order vibration mode in the structure. Waveform amplitude, phase delay, duration, frequency component, etc.) are calculated.
[0018]
When using the waveform creation software, the personal computer 18 installed with the software is connected to the electrical signal generator 16 via the interface, and after creating a desired waveform in the personal computer 18, the waveform is converted into the electrical signal generator. 16 is sent. The waveform creation software has a function for creating an arbitrary waveform (for example, a function for creating an arbitrary waveform using a predetermined waveform function formula, a point and a point, in addition to a function for creating a standard waveform (for example, sine wave, cosine wave). A function that creates an arbitrary waveform by linear interpolation that connects two lines linearly, and a function that creates an arbitrary waveform by spline interpolation that connects multiple points with a curve according to a spline function). be able to. In addition, the waveform creation software can edit (for example, copy, cut, paste) the waveform created by the waveform creation function, compress and expand the waveform in the vertical and / or horizontal direction, An arbitrary waveform can be created by synthesizing a plurality of waveforms using four arithmetic operations. The waveform created using the waveform creation software is sent to the electrical signal generator 16 as described above, but can also be stored in a storage means (for example, a hard disk) of the personal computer 18.
[0019]
The waveform sent from the personal computer 18 to the electrical signal generator 16 and the waveform created by the electrical signal generator 16 itself are stored in the storage means of the electrical signal generator 16. When an electrical signal having a waveform is sent from the electrical signal generator 16 to the voltage amplification actuator drive unit 14, the electrical signal can be transmitted simultaneously from different channels, and by setting a trigger relay for each channel, Transmission can be performed with a time difference between channels. In addition, an electric signal having a different waveform can be transmitted for each channel. Furthermore, with respect to the waveform transmitted from one channel, waveforms such as waveforms having the same frequency but different phases, waveforms having a constant frequency ratio, waveforms having a constant frequency difference, etc. can be transmitted from the other channel. .
[0020]
An electrical signal having a desired waveform is sent from the designated channel of the electrical signal generating unit 16 to the voltage amplification actuator driving unit 14 and amplified, and then sent to the array-type vibration device 12 corresponding to the designated channel. Gives vibration to the structure.
[0021]
The array-type vibration device 12 typically urges the laminated

piezoelectric actuators

12a, 12b, and 12c attached to the surface of the structure and the laminated

piezoelectric actuators

12a, 12b, and 12c to the structure with a constant load. Means (not shown). The urging means includes a type that presses against a structure using a spring, but does not constitute the gist of the present invention, and thus detailed description thereof is omitted.
[0022]
The soundness diagnostic system 10 also includes an array-type measuring device 20 that measures a response due to vibration given to the structure, an experimental mode analysis unit 22 that obtains a vibration mode from the measurement result, and the structure has changed from when it was healthy. And a deformation estimation unit 24 for estimating the state.
[0023]
The array-type measuring device 20 is typically a small semiconductor accelerometer, and the required number (in FIG. 1, three of 20a, 20b, and 20c is illustrated) according to the shape of the predicted vibration mode. Are arranged in an array. The array type measuring device 20 may be a laser displacement measuring device, a piezoelectric element (a device that observes a phase change using a piezoelectric effect that converts mechanical strain into a voltage), or the like. The measurement by the array type measuring device 20 is performed both in a healthy state and in a deformed state.
[0024]
In the experiment mode analysis unit 22, the natural frequency of each vibration mode is obtained from the displacement of the structure measured by the array type measurement device 20. That is, the experiment mode analysis unit 22 decomposes the displacement measured with respect to the vibration of the structure into a wave for each frequency, extracts the amplitude at each frequency, and sets a place where the amplitude is dominant near the natural frequency. . Alternatively, the measured displacement may be subjected to Fourier transform to obtain a power spectrum, and a place where the power spectrum is dominant may be set as the natural frequency. In the experimental mode analysis unit 22, low-order to high-order vibration modes appear in accordance with the frequency range of vibration given to the structure.
[0025]
The deformation estimation unit 24 compares the theoretical value calculation unit 26 that calculates the theoretical value of the natural frequency of the structure to be diagnosed with the actual value of the natural frequency and the theoretical value of the natural frequency. And an evaluation unit 28.
[0026]
The theoretical value calculation unit 26 models a structure (a structure in a healthy state, that is, a structure in a normal state, and a structure including a deformation such as a crack or damage), and performs a finite element method (FEM) or the like. Is used to determine the theoretical value of the natural frequency in the low-order to high-order vibration modes of the structure corresponding to the healthy state and various deformations, and accumulate in advance. Examples of deformations include bolt loosening, structure cracking and damage, structure corrosion, and combinations thereof. It is preferable to use a genetic algorithm (hereinafter referred to as “GA”) that is considered effective for an optimization problem having a large number of discrete values when obtaining a theoretical value of the natural frequency. In GA, several models of structures are given as individuals, and genetic operations are performed in the search space to generate individuals with crossed genes or individuals with mutated genes. Evaluation is made assuming various deformations.
[0027]
The identification of constants using GA will be described in more detail. The constant used in calculating the theoretical value of the natural frequency of the structure can be obtained as a theoretical value, but in order to conform to the actual measurement value, the constant is identified using GA. desirable. First, the spring constant and the deformed position are made to correspond to the genetic information of the individual in GA. An artificial group, which is data that associates the genetic information of this individual with the theoretical value of its natural frequency, is created and input to the evaluation unit 28. Next, the actual measurement value obtained by the experiment mode analysis unit 22 is input. Then, the theoretical value of the natural frequency of each vibration mode is calculated for each individual using FEM and evaluated based on the adaptation condition. At that time, the smaller the difference between the theoretical value of the natural frequency obtained by FEM and the actual value of the natural frequency analyzed by the experimental mode analysis unit 22, the higher the fitness is determined.
[0028]
As an example of fitness determination,
[Expression 1]

Is used. Equation 1 is the sum of the squares of the difference between the theoretical value of the natural frequency and the measured value of the natural frequency, but the smaller the value shown in Equation 1, the higher the fitness is determined. In addition, the fitness may be determined by the absolute value of the difference between the theoretical value of the natural frequency and the actual value of the natural frequency.
[0029]
In GA, the fitness of all individuals is observed, and individuals with high fitness are increased. As described above, the generation is performed for many generations, and the individual (model) of the optimal solution is obtained when the fitness is converged.
[0030]
In this way, the evaluation unit 28 performs evaluation by comparing the theoretical value of the natural frequency obtained by the theoretical value calculation unit 26 with the actual measurement value obtained by the experimental mode analysis unit 22, and based on the accumulated theoretical value. By searching for the one closest to the actual measurement value, the deformed part is identified.
[0031]
The operation of the soundness diagnostic system 10 configured as described above will be described. Now, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), columns are placed on both the left and right sides of the H-shaped steel specimen, and L-shaped support plates are fixed to the columns by welding. As an example of the diagnosis of the soundness of the structure in the apparatus in which the specimen is placed on the device and the specimen and the L-shaped support plate are connected by four bolts on one side, whether or not the bolt is relaxed is diagnosed ( The state in which the bolt is firmly connected is assumed to be healthy, and the state in which the bolt is relaxed is assumed to be deformed).
[0032]
FIG. 3 shows a state where the bolt is loosened. That is, in FIG. 3, CASE 1 is in a healthy state (the bolt is not loosened), and CASE 2, CASE 3, CASE 4, CASE 5, CASE 6, CASE 7,. Represents the bolt that is).
[0033]
First, the array-type vibration device 12 and the array-type measuring device 20 are attached to desired portions of the specimen. Next, a waveform to be applied to the specimen is created using waveform creation software, and the electrical signal of the waveform is sent to the voltage amplification actuator drive unit 14 via the electrical signal generation unit 16 to be amplified. Then, the amplified electric signal having the waveform is sent to the array type vibration exciter 12 to give vibration to the specimen.
[0034]
On the other hand, the theoretical value calculation unit 26 of the deformation estimation unit 24 creates artificial groups, which are data representing various states of the structure, using GA. Artificial populations are broadly divided into theoretical values of genetic information and natural frequencies. In the genetic information, a normal state where the bolt is not relaxed is defined as “0”, and a state where the bolt is relaxed is defined as “1”. Then, the gene information of CASE1, CASE2, CASE3, CASE4,... Is expressed as shown in FIG. Next, theoretical values F ₁ , F ₂ , F ₃ , F ₄ ,... Of the natural frequency of the structure in each case are obtained. And the thing which matched the genetic information in each case and the theoretical value of the natural frequency of a structure becomes an artificial group.
[0035]
Next, the acceleration response waveform of the specimen generated by the vibration given by the array type vibration device 12 is measured by the array type measurement device 20, and the natural frequency is obtained from the measured value in the experiment mode analysis unit 22. For example, if the obtained natural frequency is F ′ ₃ (≈F ₃ ), the specimen is in the CASE 3 state (ie, the bolts (1), ( ₂ ), ( ₅ ), and (6) are relaxed). In the state of being). As described above, the soundness level of the structure can be diagnosed by the soundness level diagnosis system 10.
[0036]
Next, the test performed in order to demonstrate the effect of the soundness diagnostic system 10 of this invention is demonstrated. In this test, columns were placed on both the left and right sides of the specimen (wide H-shaped steel: 350 mm x 350 mm x 12 mm x 19 mm, length L = 2200 mm), and L-shaped support plates were fixed to the columns by welding. The specimen was placed on the plate, and the specimen and the L-shaped support plate were connected by four bolts on one side. As shown in FIG. 2A, the specimen and the support are not in contact. In this test, the relaxation of the bolt at the joint of the specimen was considered as a deformed state, and experiments and analyzes were performed to evaluate the relaxed state of the bolt.
[0037]
As shown in FIG. 5, the laminated piezoelectric actuators (two units) serving as the vibration device and the accelerometers (two units) serving as the measuring devices were arranged in five ways (arrangement 1 to arrangement 5). In addition, the bolt joint of the specimen was modeled as a spring element, and natural vibration analysis was performed by FEM.
[0038]
In this test, in order to analytically evaluate the stiffness of the spring element representing the bolt joint, the stiffness of the spring was identified using GA, and the possibility of damage identification was examined. In modeling, the contact state between the H-shaped steel and the support plate by the bolt is expressed by spring elements in three directions (X, Y, Z), and the constraint conditions (θ _X , θ _Y , θ _Z ) was fixed. A predetermined number of these spring elements are arranged at the nodes on the contact surface with the support plate, and the rigidity values of these spring elements are obtained at the relaxed portion. In the GA analysis, since the natural vibration analysis is repeatedly performed, the time required for the natural vibration analysis becomes a problem. Therefore, care was taken so that the model of the GA analysis is simplified as much as possible.
[0039]
In this test, in order to ensure that the vibration of the multilayered piezoelectric actuator itself was transmitted to the specimen, a reaction force plate was installed that applied a load to the actuator (see FIG. 2C). ). At this time, the reaction force acting on the actuator was about 100N. Moreover, as shown in CASE 1 in FIG. 3, the virtual healthy state in this test is a state in which all the joining bolts are tightened, and the deformed state is shown in CASE 2, CASE 3,. As described above, a part of the joining bolt was loosened.
[0040]
6, 8, 10, 12, and 14 are diagrams showing acceleration response waveforms measured in the arrangements 1 to 5, respectively, and FIG. 7, FIG. 9, FIG. 11, FIG. It is the figure which each showed the power spectrum corresponding to these acceleration response waveforms. Examining these figures, it can be seen that, as a whole, station 2 (1/4 point) can pick up more mode orders than station 1 (1/2 point). Also, looking at the results of the eleventh mode (this vibration mode corresponds to the third mode of torsion of the upper flange of the specimen), CASE 1 is 338.5 Hz, CASE 3 is 335.3 Hz, and CASE 6 is 336 Hz. . In order to confirm the validity of this value, the frequency for a single actuator was found to be 338 Hz for CASE1, 335.6 Hz for CASE3, and 338 Hz for CASE6. Furthermore, looking at the results of the 13th mode (this vibration mode is the 3rd mode of torsion of the lower flange of the specimen), it is 373.2 Hz for CASE1, 367.9 Hz for CASE3, and 369.6 Hz for CASE6. The frequency when there was one actuator corresponding to these was 373 Hz for CASE1, 369 Hz for CASE3, and 373 Hz for CASE6. From the above, it can be seen that in the state where the bolt is relaxed (CASE3, CASE6), when the number of actuators is two, the frequency is clearly reduced as compared with the case where there is one actuator. It was confirmed that it was effective for grasping.
[0041]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say, it is something.
[0042]
For example, in the above-described embodiment, the loosened state of the bolt is described as a deformed state of the structure, but the present system is also applied to other deformed states such as cracks and corrosion of the structure. be able to.
[0043]
In the above embodiment, the soundness diagnosis system is described in relation to the natural frequency of the structure. However, other vibration parameters other than the natural frequency, such as a mode damping ratio and a vibration mode shape, are used. May be.
[0044]
In the above embodiment, GA is used to obtain the theoretical value of the natural frequency. However, other methods other than GA, such as neuronetwork regression analysis, multivariate analysis, pattern recognition analysis, etc. may be used. Good.
[0045]
In the above embodiment, the soundness diagnosis system of the present invention is described as including both an array-type vibration device and an array-type vibration device. However, the array-type vibration device and the array-type vibration device are described. You may diagnose the soundness of a structure using only any one of apparatuses.
[0046]
Further, as shown in FIG. 16, the IP address is mounted on each

actuator

12a, 12b, 12c of the array type vibration exciter, and these actuators 12a are transmitted by transmission from a plurality of portable terminals A, B, C. , 12b, 12c may be controlled in a relay manner so that vibration can be applied to the structure from a remote location.
[0047]
【The invention's effect】
According to the method of the present invention, an array type vibration device is used to vibrate the structure to be diagnosed, so that a complicated vibration mode such as a higher-order bending vibration mode or a torsional vibration mode can be excited. This makes it possible to detect minute deformations of the structure. In addition, since a plurality of vibration devices are used, the vibration energy input to the structure increases, and this also facilitates the detection of minute deformations of the structure.
[0048]
In addition, according to the method of the present invention, since multipoint measurement is simultaneously performed using an array type measurement device to measure the vibration response of the structure to be diagnosed, the vibration mode can be obtained without using FFT processing. Changes can be detected, and the frequency can be compared in real time using the running spectrum. In addition, multiple movements can be displayed in conjunction with the screen, and the vibration mode that changes over time can be measured to determine the presence or absence of defects. Therefore, it is possible to detect in real time the change of the vibration mode due to the minute defect of the structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall schematic diagram of a soundness diagnosis system according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a structure used in a test conducted to demonstrate the effect of the system of FIG. 1, wherein (a) is a front view and (b) is a line 2b- The bottom view seen along 2b, (c) is the figure which showed the attachment detail of the actuator.
3 is a view showing various relaxed states of bolts in a bolt joint portion of the structure of FIG. 2; FIG.
FIG. 4 is a diagram showing an example of an artificial group created in a theoretical value calculation unit.
FIG. 5 is a diagram showing an arrangement state of actuators and accelerometers in a test.
6 is a diagram showing an acceleration response waveform in arrangement 1. FIG.
7 is a diagram showing a power spectrum corresponding to the acceleration response waveform of FIG. 6. FIG.
8 is a diagram showing an acceleration response waveform in arrangement 2. FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a power spectrum corresponding to the acceleration response waveform of FIG.
10 is a diagram showing an acceleration response waveform in the arrangement 3. FIG.
11 is a diagram showing a power spectrum corresponding to the acceleration response waveform of FIG.
12 is a diagram showing an acceleration response waveform in the arrangement 4. FIG.
13 is a diagram showing a power spectrum corresponding to the acceleration response waveform of FIG.
14 is a diagram showing an acceleration response waveform in the arrangement 5. FIG.
15 is a diagram showing a power spectrum corresponding to the acceleration response waveform of FIG.
FIG. 16 is an overall schematic diagram showing an embodiment in which an array type vibration exciter is remotely operated in a soundness diagnostic system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Soundness diagnostic system 12 (12a, 12b, 12c) Array type vibration apparatus 14 Voltage amplification actuator drive part 16 Electric signal generation part 18 Personal computer 20 (20a, 20b, 20c) Array type measurement apparatus 22 Experiment mode analysis part 24 Deformation estimation unit 26 Theoretical value calculation unit 28 Evaluation unit

Claims

An excitation device that applies local vibration to a structure, a voltage amplification actuator drive unit that amplifies an electrical signal sent to the excitation device, an electrical signal generation unit that generates an electrical signal, and vibration modes from lower to higher orders A vibration estimation unit that estimates the deformation location of the structure by evaluating the vibration parameters of the structure in comparison with the vibration parameters when the structure is healthy. A theoretical value calculation unit that calculates a theoretical value of the vibration parameter of the structure in the mode, and an evaluation unit that evaluates an actual measurement value of the vibration parameter of the structure by comparing with the theoretical value, and the theoretical value calculation unit is In addition to identifying the constants related to the structure from the material and shape of the structure, and changing the constants related to the structure assuming the deformation of the structure, the vibration parameters at the time of deformation in each vibration mode can be determined. A soundness diagnosis system to accumulate out,
The system is characterized in that the vibration device is an array type in which a plurality of vibration applying devices are regularly arranged.

The system according to claim 1, further comprising means for generating a waveform to be transmitted to the array-type vibration exciter so that a desired higher-order vibration mode can be excited in the structure.

The system according to claim 2, wherein the means for creating a waveform has a function of creating a standard waveform and a function of creating an arbitrary waveform.

The function for creating an arbitrary waveform includes a function for creating an arbitrary waveform using a predetermined waveform function formula, a function for creating an arbitrary waveform by linear interpolation, and a function for creating an arbitrary waveform by spline interpolation. The system according to claim 3.

The system according to claim 1, wherein the vibrating device includes a laminated piezoelectric actuator.

6. The vibrating device according to claim 1, wherein the vibrating device is controlled in a relay manner by commands from a plurality of portable terminals, and configured to apply vibration to the structure from a remote location. The system according to any one of the above.

The system according to any one of claims 1 to 6, wherein an array type measuring device is arranged in the structure in order to measure a response to vibration of the structure.