结构健康监测中的损伤检测技术研究进展

对结构健康监测研究中的结构损伤检测方法及其特点进行了介绍.从基于结构模态分析的方法和基于结构动态试验信号处理的方法两方面,阐述了结构健康监测中的损伤检测方法及其最新研究进展.基于结构模态分析的结构损伤检测方法是针对整个结构的检测,使用的模态都限于低阶模态范围内,所检测的结构应容易建立有限元模型,便于进行响应预测.基于结构动态试验信号处理的损伤检测方法通常是针对结构局部构件的损伤检测,不需要对结构进行有限元建模,而直接从测试的动态响应信号中提取表征结构损伤的特征参数.文中提出了对比性损伤检测方法和非对比性损伤检测方法的概念,并对结构损伤检测中常用的信息传感与处理技术进行了论述,指出了结构损伤检测研究中应该考虑的传感器布置问题.提出了将损伤信息的主动检测与被动检测相结合进行损伤程度判断和剩余寿命估计等问题是有待进一步深入研究的课题.      

移动简谐荷载作用下轨道结构动态响应研究

研究了移动简谐荷载作用下轨道结构的动态响应特性,首先,将轨道结构简化为连续离散点支撑的弹性Euler梁模型,并建立了移动荷载作用下轨道系统动力学微分方程,基于无限周期结构在频域内的性质和叠加原理,推导出了移动简谐荷载作用下轨道结构上任意点的动态响应解析表达式;然后,数值分析了激励频率、扣件刚度、扣件阻尼对轨道结构动态响应的影响。研究结果表明:钢轨动态响应共振峰出现在荷载激励频率附近;随着激励频率的增大,钢轨动态响应峰值向高频方向移动;在高频段内,钢轨动态响应随着扣件刚度的增大而增大;扣件阻尼对系统的共振峰值及峰值带宽无显著影响,但在高频段内扣件阻尼具有明显抑制振动的作用,通过增大阻尼可以有效控制轨道的高频振动。     

基于应变响应的预损伤钢筋混凝土梁损伤识别研究

针对大型桥梁工程结构健康检测中难以实施人工激励的实际状况,提出和推导了环境激励下由应变响应实现结构损伤识别的快速方法及原理。以应变计获取不同损伤状况下钢筋混凝土梁的应变响应信息,研究了预损伤钢筋混凝土梁结构频率、振型、模态阻尼等动力特性在不同损伤状况下的演变规律。研究结果表明,本文所提原理和方法可直接、快速实现环境激励下钢筋混凝土桥梁结构的损伤识别。     

小波分析在复合材料层合结构损伤检测中的应用

利用小波变换技术，研究了含裂纹悬臂复合材料层合结构的损伤振动检测问题。用小波分析技术分解完好板与损伤板在方波信号激励下的动力响应信号，得到一系列子信号，并从中提取出结构损伤信息一响应信号能量谱，作为损伤特征参数。     

基于移动载荷响应的多跨连续桥梁损伤检测

应用有限元法将连续桥梁结构离散为两跨弱耦合欧拉-伯努利梁模型,研究了该弱耦合梁系统由于局部损伤而引起的振动模态局部化现象.利用Newmark直接积分法求出在移动车载作用下桥梁的动态响应,并进一步推导出动态响应桥梁对物理参数(如杨氏模量)的时域灵敏度.在反问题中利用基于响应灵敏度的有限元模型修正法识别出桥梁的局部损伤,并讨论了人工测量噪声对损伤识别结果的影响.算例表明该方法能够快速有效地检测具有相重频率的弱耦合系统的局部损伤,并具有精度高、对测量噪声不敏感等特点.     

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

层状压电半导体板的稳态弯曲振动分析

本文针对具有极化-变形-载流子耦合的层状压电半导体复合悬臂结构，理论研究了自由端在周期荷载作业下的稳态响应问题，导出了板中位移场、电场、载流子等物理量的解析表达式，并数值分析了周期荷载的幅值、激励频率和初始载流子浓度对结构宏观力学响应的影响。数值结果表明：在一阶固有频率下，结构内部各物理量响应幅值较大；在高阶固有频率下，各物理量响应出现多个局部峰值区域，其幅值相对减小，载流子会朝局部极值区域“聚集”或“离开”局部极值区域。初始载流子浓度在一定范围内对结构的固有频率以及各物理量的稳态响应有显著的调控作用。     

基于振动响应的耦合弦系统损伤检测

为解决具有相近频率和相重频率特征的多跨耦合弦系统的损伤检测问题,建立了耦合弦系统在外激励作用下的有限元运动方程.利用直接积分法计算了系统强迫振动响应,将弦的局部损伤模拟为单元面积的减少,推导了振动响应对弦单元面积的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行弦的局部损伤识别.数值算例表明:此方法能快速准确地识别出耦合弦的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感.     

基于谐振器激励的轴承故障动力学建模研究

考虑轴承故障动力学中的高频共振以及故障激励特点,提出一种模拟系统高频共振和过渡式故障激励的轴承故障动力学建模方法。基于赫兹接触理论,将轴承部件之间的连接简化为弹簧-阻尼结构,并加入谐振器以模拟故障的宽频激励所引起的系统高频共振,从而建立轴承六自由度动力学模型。另外,传统的故障瞬变激励方法难以反映滚动体经过滚道故障的过程,考虑到滚动体与故障接触的实际情况,给出一种过渡式的故障激励方法。以传动链平台上的6304深沟球轴承为例,对轴承外圈故障下的振动响应特性进行仿真和数据处理,其仿真结果与轴承故障实测信号对比相符,仿真信号故障一阶特征阶次与理论值误差约为0.016 7%,表明模型具有一定的准确性和可靠性。     

简谐力激励下结构拓扑优化与频率影响分析

研究了简谐力激励下以结构指定位置稳态阶段位移响应幅值为目标函数、结构体积为约束的拓扑优化设计问题. 通过在频域上使用模态叠加法求解简谐力激励下的位移响应, 分析了激励频率和作用方向对位移响应幅值及其优化结果的影响.引入材料属性的多项式插值惩罚模型, 有效消除了动力学拓扑优化局部模态现象.分析了高频激励下位移响应幅值拓扑优化存在的稳定性差、结构不连续等问题, 并通过引入附加静位移约束, 获得了清晰合理的结构形式.理论分析和算例结果揭示了位移响应幅值优化过程中结构模态的变化规律, 验证了该拓扑优化模型的有效性.     

改进的小损伤结构动力学有限元建模方法

在遗传算法或神经网络方法识别结构损伤位置和程度时,都是基于少量的在线测量的损伤结构振动响应数据和大量的模型仿真数据来实现的,因而建立高效和精确的损伤结构动力学有限元模型,以便仿真获得损伤结构的大量动力学响应数据是十分重要的基础前提工作。本文针对ANSYS结构分析软件在建立结构小损伤有限元动力学模型存在两个关键问题,结构损伤处直接网格划分的计算结果误差和网格节省问题,以结构损伤振动检测的实际需要为出发点,提出了建立含小损伤结构的ANSYS动力学建模技术,研究了结构局部小损伤及其位置与所在处单元刚度矩阵变化的数量关系。     

基于组合荷载响应特征融合的桥梁结构智能损伤识别方法

桥梁在运营过程中面临着组合荷载的复杂环境，因此发展组合荷载下的损伤识别方法具有重要意义。本文提出了一种基于组合荷载响应特征融合的桥梁结构智能损伤识别方法，基于移动主成分分析对自重静载、温度准静态荷载、动态荷载下的结构响应数据分别进行特征挖掘，并将不同荷载下第一特征向量的组合作为机器学习模型的输入，建立结构的损伤识别方法。最后，以双跨连续梁的仿真模型进行了验证，研究结果表明，即使在大噪声水平下，以组合荷载特征向量进行损伤定位和定量的准确率分别可达91.65%和97.22%,比传统的单荷载下的准确率最高分别提升了32.40%和18.00%,表现出优异的损伤检测性能和抗噪性。     

裂纹损伤对塔壳结构动态特性的影响研究

基于数值方法研究裂纹损伤对塔式壳体结构动态特性的影响。建立了等截面直立塔壳结构有限元模型,采用刚度下降法模拟不同程度受损单元,计算了无损和不同损伤工况下(耳式支座与塔体角焊缝处环向裂纹损伤),结构的固有振动特性和脉动风载荷作用下结构的动态响应。结果表明:结构振动信号可以反映塔壳结构局部不同程度损伤的影响,裂纹损伤对固有频率影响较小,最大20%损伤对固有频率的减小约为7%~8%;对模态振型影响较大,尤其在高阶(如15阶频率)上可能出现新的振型;对位移响应、动应力影响最为明显。     

环境激励下基于小波包分析的结构损伤预警方法

将环境荷载激励技术与小波包分析相结合,提出对环境激励下的结构动力响应计算虚拟脉冲响应函数并在此基础上计算结构的小波包能量谱及其损伤预警指标,用以表征结构动力系统的损伤状态.通过Benchmark试验模型模拟结构的多种损伤状态,采集模型在环境激励下结构损伤前后的动力响应,计算了结构损伤预警的小波包能量谱及其损伤预警指标.试验结果表明,环境激励下基于小波包能量谱的结构损伤预警指标具有良好的损伤预警能力,可以准确地判定结构初期损伤的发生.     

基于振动响应和HHT技术的机翼盒段结构损伤检测方法研究

提出一种利用结构振动响应和HILBERT-HUANG变换(HHT)技术检测结构小损伤的时域方法,研究了基于HHT的悬臂机翼盒段结构的损伤特征量的提取方法,给出了所提取特征量与结构损伤程度之间的关系。用HHT技术处理完好盒段与损伤盒段在信号激励下的结构动力响应信号,得到信号的希尔波特谱;然后求出希尔波特谱对应的瞬时能量,从中提取出结构损伤信息—瞬时能量变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。最后给出了瞬时能量变化量最大值与结构损伤程度之间的关系。     

组合神经网络在结构损伤检测中的应用

子结构的动态响应变化与整体结构相比,对结构内部损伤反应更为敏感。组合神经网络可以克服单个神经网络功能的单一局限性,实现更加全面综合的仿真识别功能。本文首先运用双协调自由界面模态综合法对结构进行模态分析,获取各子结构及整体结构的模态信息。然后,通过组合BP神经网络将损伤子结构与整体结构的模态频率变化率组合起来进行结构损伤检测。该方法在改善网络训练性能的同时,提高了检测结果的准确性和可靠性。文章最后通过数值算例验证了该方法的可行性和有效性。     

基于自适应BP神经网络的结构损伤检测

描述基于人工神经网络的结构损伤检测的基本步骤以及该方法在实际5层钢框架结构损伤检测上的应用．提出了一种改进的BP神经网络方法，它能够解决传统BP神经网络在实际应用中存在的两个问题：收敛速度慢并存在局部极小．其基本思想是引入动态自适应算子加速传统BP算法的梯度下降速度，从而提高运算速度，通过自调节保证学习过程中每一时刻具有较大的sigmoid函数值，从而可以避免局部极小．数值仿真结果表明基于该自适应神经网络的结构损伤检测方法具有强的鲁棒性，而且与传统的BP神经网络相比，不仅提高了计算速度，并且具有很高的精度．最后，实例的应用也证明了该方法的有效性．     

基于移动车载响应的连续梁损伤识别

应用有限元法将连续桥梁结构离散为两跨耦合欧拉-伯努利梁模型.利用Newmark直接积分法求出在移动车载作用下桥梁的动态响应,并进一步推导出动态响应桥梁对物理参数(如杨氏模量)的时域灵敏度.在反问题中利用基于响应灵敏度的有限元模型修正法识别出桥梁的局部损伤,并讨论了人工测量噪声对损伤识别结果的影响.算例表明本文方法能够快速有效地识别出耦合梁系统的局部损伤,并具有精度高、对测量噪声不敏感等特点.     

含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应求解方法

薄壁圆柱壳流体冲击振动响应是一个复杂的流固耦合(FSI)动力学问题，对于薄壳状态监测与缺陷识别具有重要意义。基于Flügge壳体应力理论，得到壳体运动的高阶偏微分方程组(PDE)，利用波传播方法获得圆柱壳系统振动响应。将壳体周围流体定义为理想声学介质，通过亥姆霍兹方程描述声压场，得到流固耦合条件下的薄壁圆柱壳受迫振动响应演变规律。针对薄壳裂纹损伤识别问题，基于断裂力学理论建立局部柔度矩阵，结合呼吸型线弹簧模型(LSM)，构造裂纹附近应力及位移连续条件，获得含裂纹损伤充液圆柱壳的振动响应，进而给出一种基于振动能量流的裂纹损伤识别方法。研究结果表明：充液圆柱壳耦合系统在非线性激励下，位移响应在沿轴向、周向和径向的传播特性差异明显；裂纹的存在会导致结构局部柔度的降低和耦合系统固有频率下降；归一化输入功率流能够有效地对充液圆柱壳耦合系统进行结构裂纹损伤识别。研究结果可为充液薄壳振动响应方面的研究提供有益参考，也可为流固耦合条件下的结构裂纹损伤识别方面提供技术支持。     

拱型结构在参、强激励下的非线性振动分析

利用数值解析法研究了拱型结构在参数激励与强迫激励联合作用下的非线性振动特性。得到了轴向力与固有频率的关系及轴向力对发生主共振,１／２亚谱共振的影响,由于１／２亚谐共振是高频激振低频响应,是最危险区域,应得到足够的重视,为工程设计提供了可靠的理论依据。