环境激励下Benchmark结构损伤识别的试验研究

针对结构健康监测中如何利用在线监测数据进行健康诊断的问题,基于时间序列分析提出了一种新的损伤识别方法.首先,获得结构健康状态的监测数据作为参考状态样本,对各数据样本建立ARMA模型并计算模型残差的方差.然后,将未知状态的监测数据作为待检状态样本,代入已建立的参考状态ARMA模型计算新的残差方差.计算发现,损伤前后两状态模型残差方差存在差异.因而,提出以残差方差之比作为损伤敏感特征,并建立基于F分布的假设检验来辨识结构的状态并预警损伤.最后,以Benchmark结构在环境激励下的试验为例,运用本文方法进行了损伤识别研究.结果表明,基于ARMA模型残差方差的损伤敏感特征可准确地区别结构的健康状态和损伤状态,具备结构在线实时损伤识别的应用价值.     

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.     

基于卡车加载和差分曲率的简支梁桥预警新指标

差分曲率指标在实际用于损伤识别时受到加载方式的限制.为此,首先采用了一种卡车加载方式,通过两次卡车加载可实现集中载荷的工况,并对简支梁桥建立起了相应的损伤识别方法,提出了新的"卡车载荷差分曲率指标(truck load difference curvature indicator,TLDCI)".基于实测的竖向位移数据得到的TLDCI图形可识别损伤的出现和位置信息,从而实现简支梁桥的状态预警.TLDCI方法的计算简单而且不需要与结构完好状态下的数据进行对比.所提出方法的有效性通过算例得到了证明,并最后讨论了提高其稳定性的措施.     

基于ARMA模型的光纤陀螺随机噪声滤波方法

对光纤陀螺随机噪声的ARMA建模及卡尔曼滤波方法进行了研究。针对ARMA(Auto-Regressive and Moving Average自回归滑动平均)模型的有色噪声在状态方程中不能通过传统的状态扩充法进行白化的问题,提出了新的噪声白化方法:采用增广最小二乘法估计ARMA模型的参数,同时提取出ARMA模型中的驱动白噪声,从而可以把ARMA模型中的有色噪声项作为控制项放入系统的状态方程,通过Sage-Husa的次优无偏MAP(Maximum A Posteriori,极大后验)噪声统计估值器对系统噪声的统计特性进行估计,实现了系统噪声的白化。在此基础上应用自适应卡尔曼滤波,有效消除了误差,得到状态值的准确估计。实验结果表明,对于随机噪声的自相关和互相关特性均呈现拖尾性质的光纤陀螺,采用新方法比传统基于AR模型的Kalman滤波降噪方法滤除噪声的效果提高了10%以上。     

基于CMDLAC指标和遗传算法的结构损伤定位研究

提出了基于综合多损伤定位保证准则(CMDLAC)指标和遗传算法(GA)的结构损伤定位方法。基于结构损伤标量模型,结合灵敏度分析提出了基于频率和振型变化的CMDLAC指标,将损伤识别问题转化为约束优化问题,最后以CMDLAC指标为优化目标函数应用遗传算法求解实现了结构的损伤定位。在考虑测试自由度不完备和测量噪声等因素影响的情况下,对桁架结构损伤的数值模拟分析表明了方法的有效性,验证了CMDLAC指标定位损伤和抵抗噪声的能力,同时指出其具有较强的实际可操作性。     

基于流固耦合方法的水轮机蜗壳结构振动及损伤机理研究

蜗壳流道内的内水压力是引起外围混凝土发生损伤的主要原因.基于流固耦合理论,并引入混凝土弹塑性损伤模型,建立了流体与蜗壳结构耦合振动分析的理论框架,提出了一套水轮机流道内水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动损伤的数值计算方法.首先基于有限体积法建立水轮机蜗壳流道流动的数值模型,同时采用有限元方法建立蜗壳结构固体区域的三维有限元模型;进而将流体区域边界上动水压力作为外荷载实时传递给固体区域边界进行三维有限元非线性损伤瞬态分析,实现了大型水轮机蜗壳结构中流体流场到固体应力、位移场的单向耦合三维数值分析.通过计算分析得到了水体流动诱发蜗壳外围混凝土振动的响应规律以及混凝土损伤的发展规律.     

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。     

时变环境与损伤耦合下桥梁结构频率及阻尼比的统计分析

对时变环境与损伤耦合下我国某斜拉桥的结构频率及阻尼比进行统计分析,以提高结构损伤识别的精度.首先,利用该桥的长期监测数据,采用环境激励技术结合特征系统实现算法识别该桥梁结构的频率及阻尼比;其次,利用人工神经网络算法建立该桥梁结构的环境温度与结构频率及阻尼比的关系模型;然后,通过统计分析,建立完好状态下该桥梁结构模态参数误差因子的概率分布模型;最后,通过分析不同时段与完好结构状态下该桥梁结构模态参数误差因子的相交概率比识别结构损伤,并利用该桥的实测结果验证所提算法的有效性.     

岩体变形监测时序分析与动态建模

基于时序ARMA模型, 分析了岩体变形监测数据的动态建模及其预测的基本方法, 并用ARMA模型对板岩山危岩体监测数据进行建模及预测, 取得了较好的效果。     

基于提高频率灵敏度的结构损伤统计识别方法

提出了一种基于反馈控制结构动力特性的损伤统计识别方法。该方法采用基于独立模态空间的反馈控制,有目的地配置闭环系统的极点,根据损伤前后闭环系统的特征值构造损伤指标。采用假设检验判断损伤是否发生,并剔除特征量中损伤程度的影响,采用统计模式识别方法识别损伤位置。Benchmark结构的数值算例表明,本文提出的损伤识别方法能够较显著地提高模态频率对刚度变化的灵敏度,准确有效地检测在噪声环境下结构小损伤是否发生以及识别损伤位置。