基于残余力向量法和改进遗传算法的结构损伤识别研究

提出了一种基于残余力向量法和改进遗传算法的结构损伤识别方法。文中首先对残余力向量法和遗传算法的基本理论进行了介绍。在无噪声的情况下,使用任意一阶模态数据,残余力向量法都能够对损伤进行准确定位。但是,振动测试数据中往往包含噪声,导致运用残余力向量法进行损伤识别完全不可行。考虑到这个问题,在常规模态分析的基础上,以节点的残余力向量构造用于遗传搜索优化的目标函数形式,然后利用改进的遗传算法重点进行了噪声条件下的结构损伤定位和定量研究。最后,本文用一个平面桁架模型进行了数值模拟,验证了所提出方法的有效性,并对方法应用中存在的一些问题进行了深入分析,得出了一些有益的结论。     

基于改进遗传算法的桥梁结构损伤识别应用研究

提出了一种基于残余力向量和改进遗传算法的桥梁结构损伤识别方法。在无噪声的情况下,使用任意一阶模态数据,残余力向量法都能够对损伤进行准确定位。但是,振动测试数据中往往包含噪声,导致运用残余力向量法进行损伤识别完全不可行。考虑到这个问题,在常规模态分析的基础上,以节点的残余力向量构造目标函数,提出了一种用于遗传搜索优化的目标函数形式。利用改进遗传算法重点进行了噪声条件下的结构损伤定位和定量研究,并对遗传算法的参数选取问题进行了深入探讨。遗传算法的主要改进包括:采用浮点编码、采用基于标准化几何分布排名的选择策略、采用最优保存策略、采用算术交叉算子、采用自适应变异算子。最后,本文用一个连续梁桥模型进行了数值模拟,验证了所提出方法的有效性,并对方法应用中存在的一些问题进行了深入探讨。     

损伤识别一种改进的残余力向量法

提出了一种改进的残余力向量法用于工程结构损伤识别.分析了利用结构有限元模型缩聚技术给残余力向量法所造成的误差,提出了一种改进的残余力向量法.以平面桁架结构为算例,比较了改进方法与原方法的损伤识别结果.结果表明,改进的方法合理可靠、精度高.     

基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断

提出一种基于改进残余力向量法的桁架结构损伤诊断方法. 先由灵敏度分析, 求出结构刚度联系矩阵,再由刚度联系矩阵将损伤后的刚度摄动矩阵展开成对角矩阵,代入 残余力向量方程,得到由刚度联系矩阵表示的新的残余力向量方程,此方程可以直接求解, 即可诊断出桁架结构的损伤杆件及其损伤程度. 对于实测中难以获得完备振型的情况,采用 模态扩阶的方法来获得完备的测试振型. 最后以一桁架结构进行数值仿真分析,证实了该方 法的有效性.     

残余力向量法在结构损伤识别中的应用研究进展

工程结构的损伤识别技术对于把握结构工作状态及评估结构的安全性与正常使用性能具有重要的意义。近年来基于残余力向量法的损伤识别技术受到了关注并取得了一定的研究成果。文章从基于残余力向量法的损伤识别技术、残余力向量法和灵敏度分析方法相结合、残余力向量法的改进、残余力向量法和人工神经网络技术的结合、残余力向量法和智能算法的融合等5个方面综述了目前国内外基于残余力向量法进行结构损伤识别研究的成果。并根据残余力向量法应用上存在的问题展望了应用残余力向量法进行结构损伤识别时在如何减小误差;如何克服测试信息不完备的影响;如何进行实际工程损伤识别的研究以及残余力向量法的改进以及残余力向量法和智能算法结合等方面的发展趋势。     

一种改进的残余力向量法在结构损伤识别中的应用

残余力向量法是结构损伤识别中常用的方法,复杂结构中单元数量较多而损伤位置较少,容易造成无关变量增多,进而导致计算量过大的问题。鉴于此,本文提出一种改进的残余力向量法用于结构的损伤识别。该方法利用刚度联系向量与残余力向量之间线性相关的特性,以向量投影值作为损伤定位的影响系数,初步筛选出结构可能出现损伤的单元范围。在此基础上,构建出残余力向量对应的线性方程组,根据顺序主子式不为零的条件,对线性方程组进行行初等变换,再根据单元的数量保留前n维线性方程,通过求解该方程组的代数解可得到该结构单元的刚度损伤参数。以简支梁为例的数值模拟表明,本文方法可减少无关单元变量的计算,降低残余力向量的维度并且具有较好的抗噪能力。     

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。     

基于有限测点信息的结构损伤识别柔度法

利用有限测点获得结构的模态参数,提出了基于有限测点的结构损伤识别的柔度法。该方法是通过仅考虑结构柔度的灵敏度分析,以结构各自由度的损伤信息为条件,选择对结构柔度变化敏感的自由度为测点,并利用有限测点的信息提出了结构完备模态振型的重建技术。在此基础上,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,来确定结构单元的损伤因子对结构进行损伤识别。从而实现利用结构有限测点的模态信息来识别结构的损伤,解决了测试结构的模态振型的不完整给结构的损伤诊断带来的困难。通过数值算例说明了该方法的有效性。     

基于大质量法的结构零频率振型的动力特性

在介绍大质量法基本原理的基础上，根据多点输入下结构无阻尼动力反应方程，通过理论推导论证了基于大质量法所得到的结构体系零频率振型的动力特性．理论推导的结果表明：基于大质量法的结构零频率振型为该结构的拟静力模态向量的线性组合，其中组合系数为该结构零频率振型中对应于结构基底释放自由度的子向量中的各个元素．最后，通过3个简单多自由度动力体系的数值结果验证了上述结论．     

古塔结构整体性损伤检测的微动测试技术应用研究

在古建筑结构保护中,无损伤或微损且便携快速的高精度检测手段以及识别结构损伤的方法一直是重要的研究课题。本文基于古塔结构的动力特性,建立了基于模态信息的古塔结构损伤识别方法,采用损伤前后结构的低阶模态信息差异进行损伤定位和损伤程度评估。首次用将该方法对典型砖木混合古塔结构——上海市松江方塔开展了研究。采用微动测试技术,获取损伤结构的动力特性参数(模态信息),采用数值方法计算获取结构未损伤模型的特征值。对测试参数及计算参数进行统一物理量的数据归一化处理后,利用结构的单元刚度矩阵作为诊断项,根据损伤表征向量进行了损伤定位及损伤程度评估。通过微动测试技术评价的结构整体损伤与以往的历史记录及测绘结果进行比较,得出结构7层、8层刚度损失最大,达到0.56,其次为第9层,达到0.78。     

单层短程线网壳结构模型试验研究

模型试验是全面掌握工程结构基本特性的有效手段之一。根据模型相似理论设计并制作了单层短程线网壳结构模型,同时设计了可动砝码加载方案,加工制作了砝码及支托。对结构杆件进行了材料拉伸试验,对结构模型进行了静载试验和模态试验研究,成功获得了结构模型的静内力分布规律及模态参数。试验结果与有限元计算结果对比分析表明,静载试验结果与有限元计算结果吻合较好,模态试验结果与有限元计算结果吻合稍差。所采用的加载方案、试验手段及分析方法对类似的模型试验研究都具有一定的参考价值,所得到的试验数据为大型空间网格结构实际工程的在线损伤识别及健康监测研究提供了第一手资料。     

Identification of the tensile force in high-tension bars using modal sensitivities

In certain field applications involving the repair or replacement of structural members, the knowledge of the tensile forces in tension members may be critical in the selection of the retrofit or rehabilitation process. To date, several methods have been presented to estimate in situ tensile forces using static and/or dynamic responses of the tension members. However, each and every one of these methods has its disadvantages as well as advantages in its procedures, level of accuracy, and equipment requirements. This paper presents a practical method to identify the tensile force in a high-tension bar using the changes in the modal sensitivities. The methodology can identify not only the tensile force but also other related parameters such as the magnitude of end constraint. The methodology utilizes the sensitivity relationship between the natural frequencies, the structural parameters, and the tensile force in the member. In this paper, the basic elements of the approach are summarized and the proposed method is validated using both numerical and experimental data. Also, the impact of model uncertainty to the performance of the parameter identification is investigated.     

Crack parameter estimation in structures using finite element modeling

This paper addresses the problem of linear crack quantification, crack depth estimation and localization, in structures. An optimization technique based on a finite element model for cracked structural elements is employed in the estimation of crack parameters for beam, truss and two-dimensional frame structures. The modal data for the cracked structures are obtained by solving the corresponding eigenvalue problem. The error in the modal data is simulated by an additive noise that follows the normal distribution. The simulated reduced modal data is expanded using the eigenvector projection method. Numerical examples showed that this technique gives good results for cracks with high depth ratio. The accuracy of the estimated crack parameters depends on (1) the number of modes used, (2) the error level in the cracked structure modal data and (3) the number of measured degrees of freedom in the case of reduced modal data.     

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。     

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.      

结构健康监测系统中传感器优化布置组合算法

在对结构健康监测中的传感器优化布置方法进行调研和总结的基础上,针对薄板、壳结构开展传感器优化布置的研究.提出了一种有效的传感器优化布置组合算法,由模态动能法、模态保证准则、遗传算法组合而成.该方法所得的传感器位置主要位于动态响应比较大区域,有利于提高信噪比;同时能够有效地保证模态振型的独立性,可以较完整地获得结构模态信息.针对这种组合算法的有效性采用简易机翼模型从数值计算和实验两方面进行了验证.