基于不完备频响函数的结构损伤统计识别研究

基于不完备频响函数数据,结合概率统计方法,提出了一种能同时考虑模型参数不确定性和测试噪声影响的结构损伤统计识别方法。首先,基于频响函数某一行向量在不同频率下的幅值数据,利用矩阵拉直运算建立了关于损伤系数的确定性识别方程。其次,假设模型参数误差和测试噪声为零均值的高斯随机变量,根据摄动理论,推导了损伤后结构刚度参数的前二阶矩。随后,利用结构损伤前后的概率分布得到了结构损伤存在概率。最后,通过一个平面桁架结构模型验证了本文方法的有效性。数值算例的研究结果表明,损伤单元的损伤存在概率远大于非损伤单元;测试噪声对识别结果的影响比模型参数不确定性的影响更为显著。     

多工况结构拓扑优化的灰色权重折衷规划模型法

针对多工况结构拓扑优化问题中的载荷病态现象,基于RAMP (Rational Approximation of Material Properties)拓扑优化模型,提出应用灰色理论确定工况权重系数,并将应变能目标函数归一化的折衷规划模型法．通过专家评价方法获得工况权重系数的灰色区间,结合灰色理论计算工况权重系数灰色区间的精确值,并采用导重法推导出多工况结构拓扑优化问题的求解迭代表达式．通过定义载荷比描述载荷病态的程度,对多工况结构拓扑优化典型算例在不同载荷比及不同工况权重系数下进行结构拓扑优化分析．优化结果表明,灰色权重折衷规划模型及求解方法对多工况结构拓扑优化问题具有高效、稳定的特点,能够克服载荷病态问题,并通过大跨度甲板强横梁的结构拓扑优化设计证明本文设计方法的有效性．     

基于线性多点逼近的载荷识别方法

利用结构响应信息进行载荷识别是结构工程重要研究内容之一.本文提出了基于时空多点线性逼近的动载荷识别方法,利用特定的载荷基函数在空问和时间上多点线性组合逼近结构的未知荷载输入,实现结构载荷的参数化表达,使得载荷识别反问题归结为一个多点权重系数求解问题.所建立的识别方法不需要对结构模型预先进行模态分析,采用一个常系数矩阵对...     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

室内环境下基于图优化的UWB定位方法

针对室内三维环境中对定位结果准确性的要求,提出了一种基于图优化的室内超宽带(UWB)定位算法。首先,利用最小二乘法对UWB技术测量的距离进行解算,得到第一次定位初值。然后,将第一次定位初值代入泰勒级数展开算法,得到更可靠的第二次定位初值。最后,建立包括定位残差和位移残差两项的目标函数,通过基于图优化的算法,得到目标函数的最小值,计算出优化之后的最终定位结果。通过样机实验验证定位精度,实验结果表明平均水平定位误差小于10 cm,同时平均高度定位误差也比相同实验条件下使用Chan算法和改进的卡尔曼滤波方法分别低了77%和61%。     

环境温度影响下基于支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的结构稀疏损伤识别

结构处于自然环境中常会受到环境温度变化的影响,引起实测动力响应出现较大误差,进一步影响对结构健康状况的判定.另外,基于优化算法的损伤识别在反演损伤位置及量化损伤程度时,易出现局部最优解,且计算效率低下.针对以上难题,本文提出一种结合支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的损伤识别方法,用于对环境温度影响下的结构稀疏损伤进行识...     

基于模态数据的长细结构小损伤精确识别研究

本文针对现有的损伤识别方法不能满足部分结构损伤识别精度要求的现状,对结构的小损伤精确识别方法开展研究．以长细结构为研究对象,对具有不同损伤位置和损伤程度的圆柱形的轻阻尼梁结构进行了数值分析和实验研究,应用数值计算方法和实验确定的特征向量和特征频率对长细结构裂缝参数进行识别计算．本文在研究过程中编制了一个创新性的预测程序,通过其一次性生成目标函数图来选择合适的初始参数,从而对识别结果进行分析．研究结果表明,应用本文提出的识别方法,裂缝位置的识别误差可以控制在0.05 %~0.28 %范围内,裂缝深度识别误差低于7 %．     

一种面向激波噪声计算的加权优化紧致格式及非线性效应分析

在超声速流动中, 激波与湍流结构的相互作用会产生高强度的激波噪声. 激波噪声的高保真计算要求激波捕捉格式具有高阶精度、低耗散和低色散特性, 同时还要尽可能地减弱格式的非线性效应. 现有的六阶精度迎风/对称混合型加权非线性紧致格式CCSSR-HW-6在基于对称模板构造网格中心处的数值通量时引入了两级加权, 且两级加权都需要构造非线性的权系数, 因而非线性效应较强. 本文以修正波数的误差积分函数为优化目标函数, 优化了CCSSR-HW-6格式的非线性特性, 建立了加权优化紧致格式WOCS. 精度验证表明WOCS格式的精度高于5阶. 谱特性分析表明, 与原方法相比, WOCS格式的耗散误差和非线性效应显著降低. 典型激波噪声问题数值实验表明: WOCS格式不仅提高了对高频波的分辨能力, 而且显著地消除了数值解中因格式的非线性效应所导致的非物理振荡.      

基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重, 在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先, 在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域; 最后,在利用智能算法进行反演的过程中, 先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演. 若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置. 为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果, 证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.      

基于高阶矩的稳健优化设计研究

采用随机响应量的前四阶统计矩来度量目标函数和概率约束条件的稳健性, 通过引入“权重因子”来确定新构造的目标函数中原 函数和敏感系数的比重, 利用加权组合法将稳健优化设计这一多目标优化问题转化为单目标问题, 从而建立新的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型. 矩估计方法可高效地评估目标函数和概率约束条件的统计矩, 且不需要搜索技术, 因此不构成嵌套循环(即稳健优化过程是单循环的), 从而可以大大降低优化的计算工作量. 对多个桁架结构进行了确定性优化设计、可靠性优化设计、传统的和该文所提的稳健优化设计, 验证了所建立的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型的合理性和正确性, 比较并解释了计算所得的优化结果.     

The inverse identification problem and its technical application

This paper presents an overview of a loading force identification technique. Load identification methods are based on the solution of the inverse identification problem. Many different approaches for linear systems have been developed in this area. For both linear and nonlinear systems, methods based on the minimization of assumed objective functions are formulated. The least square error between the simulated and measured system responses is mainly used as the objective function. The dynamic programming optimization method formulated by Bellman is commonly used for the minimization of the objective function to estimate the excitation forces. The inverse identification problem in most practical cases is ill-posed because not all the state variables or initial conditions are known. Ill-posed inverse identification problems can be solved using several techniques, the most useful of which are: the generalized cross-validation method, the dynamic programming technique and Tikhonov’s method. This article presents the theoretical background and main limits to the application of inverse identification methods. Numerical and experimental tests on a laboratory rig were made to verify the formulated procedures. The method is applied to the identification of wheel–rail contact forces during rail vehicle operation. The method can be applied for indirect measurements of contact forces in railway equipment testing.     

基于裂纹诱导弦挠度的简支外伸梁裂纹损伤识别

基于梁横向开裂纹的线性扭转弹簧模型,给出了具有任意裂纹数目的简支外伸梁弯曲挠度的显式解析解,研究了集中载荷作用下简支外伸梁裂纹诱导弦挠度函数的性质,给出了裂纹位置和裂纹等效扭转弹簧柔度的近似表达式,从而实现了梁横向裂纹位置及裂纹损伤程度的识别．在此基础上,为利用裂纹梁的测量挠度识别裂纹损伤,提出了分段线性函数的最佳拟合法,实现了简支外伸梁裂纹的损伤参数识别．通过数值试验验证了该识别方法的适用性和可靠性,考察了识别结果对梁挠度测量误差和裂纹深度的敏感性,结果表明随着挠度测量误差的增大,裂纹损伤参数识别误差增大,但裂纹损伤识别方法具有较强的鲁棒性,在工程实际中具有一定的应用性．     

Powell’s optimal identification of material constants of thin-walled box girders based on Fibonacci series search method

A dynamic Bayesian error function of material constants of the structure is developed for thin-walled curve box girders. Combined with the automatic search scheme with an optimal step length for the one-dimensional Fibonacci series, Powell’s optimization theory is used to perform the stochastic identification of material constants  of the thin-walled curve box. Then, the steps in the parameter identification are presented. Powell’s identification procedure for material constants of the thin-walled curve box is compiled, in which the mechanical analysis of the thin-walled curve box is completed based on the finite curve strip element (FCSE) method. Some classical examples show that Powell’s identification is numerically stable and convergent, indicating that the present method and the compiled procedure are correct and reliable. During the parameter iterative processes, Powell’s theory is irrelevant with the calculation of the FCSE partial differentiation, which proves the high computation efficiency of the studied methods. The stochastic performances of the system parameters and responses are simultaneously considered in the dynamic Bayesian error function. The one-dimensional optimization problem of the optimal step length is solved by adopting the Fibonacci series search method without the need of determining the region, in which the optimized step length lies.     

A robust online parametric identification method for non-deteriorating and deteriorating distributed element models with viscous damping

The online parametric identification of deteriorating and non-deteriorating distributed element models (DEMs) with viscous damping is studied using a generalization of Masing model to provide the proper framework for identification. The approach renders the hysteretic response of the DEM into a time-independent single-valued mapping from equivalent displacement values into equivalent force values, while considering the effect of damping as a parallel element. This approach allows for parametric identification of this non-linear rate-dependent hysteretic behavior to be performed using non-linear optimization techniques. A changing objective function, defined as a norm of force estimation error over a shifting window of recent data, is employed so that classic non-linear optimization techniques can be used for the online identification problem. A variation of the steepest descent method is used with significant modifications. Special measures are taken to guarantee robustness of the results in presence of noise. The results show that the proposed identification method exhibits a very good performance in identifying the correct values of the parameters in real time, and is robust in dealing with noise. The proposed method can be applied to many other types of hysteretic behavior as well.     

考虑轴力二阶效应悬臂梁的支承及裂纹参数识别

建立了轴向压力作用下悬臂裂纹梁边界支承和裂纹损伤程度识别方法．首先,将悬臂梁边界非完整支承等效为竖向和扭转弹簧、梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧,利用Laplace变换,得到了边界弹性支承、考虑轴向压力二阶效应、具有任意裂纹数目Euler-Bernoulli悬臂梁弯曲挠度的解析解．其次,提出了边界弹性支承弹簧柔度和裂纹等效扭转弹簧柔度的识别方法．最后,通过数值试验,考察了轴向压力,裂纹深度以及测量误差等对识别结果的影响,说明了本文考虑轴向压力二阶效应的悬臂梁边界支承弹簧柔度及裂纹等效扭转弹簧柔度识别方法的适用性和可靠性,结果表明：相比于应变测量误差,挠度测量误差对裂纹损伤程度识别结果影响更加敏感,且轴向压力对裂纹损伤程度识别影响较小,因此,应严格控制挠度的测量误差．同时,边界支承扭转弹簧柔度的识别误差大于其竖向弹簧柔度识别误差．这些结果为实际工程中边界非完整支承悬臂裂纹梁的参数识别提供了指导．     

基于最小概率DWO的激光陀螺温度误差模型辨识

鉴于激光陀螺温度误差模型的非线性和时变性,从提高模型辨识质量的需要出发,运用基于最小概率DWO（直接加权优化）的非线性系统辨识方法进行激光陀螺温度误差模型辨识研究,提出了一种精度更高的激光陀螺温度误差模型。该模型以带宽作为唯一需要确定的模型参数,避免了以往温度误差模型研究中的结构与参数辨识等复杂问题,从而在保证模型辨识质量的基础上,也相应提高了模型的适应能力,并通过两种温度误差特性有显著区别的激光陀螺（四频差动激光陀螺和二频机抖激光陀螺）的温度实验数据验证了该模型的正确性和适应性。     

一种基于半参数回归的加速度计误差模型辨识方法

为了解决加速度计离心机试验中系统误差和未建模误差对加速度计模型辨识的影响,将统计学中的半参数回归方法引入到加速度计的模型辨识中,建立了加速度计的半参数回归模型,提出了一种基于最小二乘-半参数回归模型(LS-SPRM)的估计方法,该估计方法利用最小二乘法估计加速度计的误差模型系数,利用半参数回归方法估计加速度计测试中的系统误差,并通过检验残差是否为白噪声作为判断是否有系统误差的条件。在半参数模型的估计中,采用二阶段估计方法,利用三次样条函数进行非参数部分的估计,并讨论了光滑参数的选取方法。仿真试验结果表明,采用该方法能够较好地补偿由于系统误差和未建模误差带来的影响,使加速度计模型辨识的标准差较普通最小二乘法减小45%左右,估计的残差也减小了近一倍。     

An iterative rational fraction polynomial technique for modal identification

The rational fraction polynomial (RFP) modal identification procedure is a well known frequency domain fitting technique. To deal with a linear problem, the RFP procedure does not directly minimize the fitting error, i.e. the difference between the experimental and the analytical frequency response function, but a frequency weighted function of it: this causes bias in the modal parameter estimates. In this paper an iteration procedure is proposed which uses the output of the RFP technique as a starting estimate, and minimizes the true fitting error, expressed as a first order Taylor expansion of the identified parameters. Results are quite satisfactory: the fitting error is notably reduced after few iterations. Moreover, less computational modes with respect to the original RFP method are needed to obtain a good fit in a given frequency band.A first version of this paper was presented at 17th Int. Seminar on Modal Analysis, Leuven (Belgium), 23–25 September 1992, and preprinted in the Proceedings.     

惯导平台漂移误差参数辨识的实验研究

本文给出了某型号惯导平台漂移误差参数辨识的一个工程实例。平台上陀螺输出的零位误差和质量不平衡误差是引起平台漂移的主要因素。为此,我们建立起描述平台漂移的数学模型,取框架角的测量值做为系统的输出,框架角和误差系数都被定义成了状态变量,这样参数辨识问题就转化成了对状态的估计。为使各误差系数都能受到重力的充分激励和便于工程应用,实验中我们采用了六位置伺服状态测漂方案。实验结果表明,应用ＥＫＦ 可以获得较好的辨识效果,明显优于力反馈法和光点测漂法。