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.     

基于频率和模态保证准则的结构内部多缺陷反演

静响应(位移、应变等)在实际问题的反演分析中很难由安装在结构上的一组传感器记录得到,而结构的动力特性(频率、振型)和动力响应(加速度、速度、动位移)在实际问题中较易通过传感器采集得到.文中基于频率残差和模态保证准则构建了反演分析模型的目标函数,并结合频域内动力扩展有限元法和人工蜂群智能优化算法的优点,扩展有限元法通过引入非连续位移模式在不重新划分网格的情况下通过改变水平集函数反映缺陷的数量、位置及大小,避免了反演分析每次迭代过程中的网格重剖分,人工蜂群智能优化算法在每次迭代中都采用全局和局部搜索,找到最优解的概率大幅增大并可很好地避免局部最优,同时,通过引入拓扑变量,将缺陷的数量纳入到反演分析过程中,迭代过程中可智能反演出缺陷的数目,建立了结构内部多缺陷(孔洞、裂纹)的反演分析模型.通过若干算例的分析表明:建立的反演分析模型能够较为准确地探测出结构内部圆形、椭圆形以及裂纹状缺陷的数量、位置及大小,且算法具有较好的鲁棒性.     

基于频率和模态保证准则的结构内部多缺陷反演

静响应(位移、应变等)在实际问题的反演分析中很难由安装在结构上的一组传感器记录得到,而结构的动力特性(频率、振型)和 动力响应(加速度、速度、动位移)在实际问题中较易通过传感器采集得到. 文中基于频率残差和模态保证准则构建了反演分析模型的目标函数,并结合频域内动力扩展有限元法和人工蜂群智能优化算法 的优点,扩展有限元法通过引入非连续位移模式在不重新划分网格的情况下通过改变水平集函数反映缺陷的数量、位置及大小, 避免了反演分析每次迭代过程中的网格重剖分,人工蜂群智能优化算法在每次迭代中都采用全局和局部搜索,找到最优解的概 率大幅增大并可很好地避免局部最优,同时,通过引入拓扑变量,将缺陷的数量纳入到反演分析过程中,迭代过程中可智能反演出缺陷的数目,建立了结构内部多缺陷(孔洞、裂纹)的反演分析模型. 通过若干算例的分析表明:建立的反演分析模型能够较为准确地探测出结构内部圆形、椭圆形以及裂纹状缺陷的数量、位置及大小,且算法具有较好的鲁棒性.      

扩展有限元与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷(夹杂)的位置和大小,遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力,通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷(夹杂)和多个缺陷(夹杂)的结构进行了反演分析,并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明,建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷(夹杂).     

THE INVERSE ANALYSIS OF INTERNAL DEFECTS (INCLUSIONS) IN STRUCTURES USING A COMBINED XFEM AND GA METHOD

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷（夹杂）的位置和大小，遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力，通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷（夹杂）和多个缺陷（夹杂）的结构进行了反演分析，并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明，建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷（夹杂）.     

基于遗传算法的位移型与速度型阻尼器位置优化比较研究

提出了一种基于遗传算法的阻尼器位置优化的新型优化数学模型,考虑地震作用下不同的结构控制指标,首先假定优化模型的五种加权系数组合,在阻尼器数量一定的前提下,对不同形式的结构在四类场地条件地震动作用下分别进行位移型和速度型阻尼器位置优化。然后引入两个性能评价指标,对五种系数组合情况时两种类型阻尼器布置下的结构反应进行分析研究,使阻尼器布置方案能体现综合控制效果上的最优,得到不同情况下加权系数的最佳取值组合。通过数值分析,比较了不同类型阻尼器的位置优化特点,为工程实际应用中不同类型阻尼器的位置优化目标函数选取提供了有益的参考。     

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．     

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。     

多宗量瞬态热传导反演识别

引入Bregman距离加权函数,建立了多宗量瞬态热传导反演的一种求解模式.时域上采用精细算法,分别建立了便于敏度分析的有限元正/反演模型,应用同伦算法进行反问题求解,对导热系数和边界条件等宗量进行有效的组合识别.对信息误差和计算效率作了探讨,并给出了相应的数值验证.     

基于拓扑优化的结构弹性成像方法

弹性模量是工程材料重要的性能参数, 可以衡量物体抵抗弹性变形的能力. 弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法. 为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别, 提高弹性成像的局部表征和全局识别能力, 提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法. 受拓扑优化理论启发, 采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度, 建立成像参数与弹性模量的插值模型, 基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系. 以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数, 以成像参数上下限为约束, 建立结构弹性成像的优化模型. 以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度, 并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式. 二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明, 本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息, 可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像, 且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件, 进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.      

An adaptive procedure for defect identification problems in elasticity

In the context of inverse problems in mechanics, it is well known that the most typical situation is that neither the interior nor all the boundary is available to obtain data to detect the presence of inclusions or defects. We propose here an adaptive method that uses loads and measures of displacements only on part of the surface of the body, to detect defects in the interior of an elastic body. The method is based on Small Amplitude Homogenization, that is, we work under the assumption that the contrast on the values of the Lamé elastic coefficients between the defect and the matrix is not very large. The idea is that given the data for one loading state and one location of the displacement sensors, we use an optimization method to obtain a guess for the location of the inclusion and then, using this guess, we adapt the position of the sensors and the loading zone, hoping to refine the current guess.Numerical results show that the method is quite efficient in some cases, using in those cases no more than three loading positions and three different positions of the sensors.     

基于改进灰狼优化算法的结构损伤识别

结合模态柔度矩阵、广义模态柔度矩阵和振型三个识别精度较好的指标,构造新的目标函数求解损伤识别问题。通过Nelson方法求解得到的频率与振型的导数,得到对结构刚度发生变化时更具敏感性的位置,然后在这些位置布置传感器以提取结构信息。针对原有的灰狼算法虽然全局搜索能力强,但是存在局部搜索精度差的问题,本文从初始种群和收敛因子等方面着手,改善灰狼算法的局部搜索能力及收敛速度。最后利用提出的方法,通过识别梁模型及桁架模型中的损伤单元说明本文方法的有效性。     

复合材料内多处横向冲击损伤的光纤图像检测

基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点,提出了检测层板内部发生多处横向冲击损伤的重构算法．根据光纤损伤图像检测系统获得的图像信号,可实时、定量、直观重构并显示出层板内部各处损伤的位置和各处的损伤程度．在复合材料多点冲击损伤检测试验中,屏幕显示的损伤图示与对半透明试件同时做反向照明检测的结果相一致,证实了重构结果的正确性     

一种结构参数识别的两阶段方法

针对测量信息不完备的剪切型结构 ,建立了一种两阶段系统识别的复合反演方法 ,这种方法包括两部分 :子结构地震动反演和结构参数识别。首先 ,选取可观测的子结构 ,利用一维地震动作用于结构的力学特性 ,将子结构动力方程的有限元列式进行变换 ,得到适合于最小二乘法的简单形式 ,解决了测量信息不完备及结构参数未知条件下的地震动反演问题。其次 ,根据子结构反演得到的地震动输入 ,采用结构参数时域识别技术中的加权整体迭代 -广义卡尔曼滤波器方法 ,成功地识别出了有限测量条件下单元水平结构参数     

涡激响应尾流双振子模型的参数反演方法

尾流双振子模型是研究圆柱结构涡激振动响应的重要模型,模型参数的准确确定对悬浮隧道设计理论具有重要意义.首先通过降阶法将多变量二阶非线性常微分方程组的尾流双振子模型变换为一阶方程组.然后给出一种新型的圆柱结构水槽试验设计方案,其中试验模型的刚度能够较好反映悬浮隧道等实际工程结构的刚度,基于相机动态捕捉和视频识别计算机程序,获取圆柱结构在水平和竖直方向的位移试验数据.基于试验结果和龙格-库塔方法求解一阶方程组,采用BP神经网络智能算法对模型参数进行反演,同时利用遗传算法对神经元的初始权值和阈值进行优化,所得结果平均误差仅为5.50％,优于遗传算法和未优化的BP神经网络模型.结果表明,基于遗传算法优化的BP神经网络智能算法能够精确实现尾流双振子模型的参数确定,为圆柱结构涡激振动响应分析提供理论基础.     

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

钢箱内部爆炸破坏的SPH数值模拟

随着恐怖袭击的不断演化，船舶、桥梁等以钢箱为主要支撑的战略性结构逐渐成为恐怖袭击和敌方军事打击的重要目标。本文中采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对钢箱内部爆炸过程进行了数值模拟，对比实验，分析了钢箱内部爆炸时钢箱表面的变形过程，得到了钢箱表面挠度值的变化趋势、不同时刻钢箱表面压强和von Mises应力的分布情况、钢箱表面中心点处速度和压强的变化趋势，验证了SPH方法在模拟钢箱内部爆炸问题上的有效性。通过进一步数值模拟，探讨了钢箱内部不同位置爆炸时钢箱的破坏形式和损伤程度，结果表明:炸药在钢箱内部角隅处爆炸时，钢箱的损伤程度最严重；炸药在钢箱内部正中心爆炸时，钢箱的损伤程度最轻。     

Test analysis of detection of damage to a complicated spatial model structure

A two-stage damage detection approach is proposed and experimentally demonstrated on a complicated spatial model structure with a limited number of measurements. In the experiment,five known damage patterns,including 3 brace damage cases and 2 joint damage cases,were simulated by removing braces and weakening beam-column connections in the structure. The limited acceleration response data generated by hammer impact were used for system identification,and modal parameters were extracted by using the eigensystem realization algorithm. In the first stage,the possible damaged locations are determined by using the damage index and the characteristics of the analytical model itself,and the extent of damage for those substructures identified at stage I is estimated in the second stage by using a second-order eigen-sensitivity approximation method. The main contribution of this paper is to test the two-stage method by using the real dynamic data of a complicated spatial model structure with limited sensors. The analysis results indicate that the two-stage approach is ableto detect the location of both damage cases,only the severity of brace damage cases can be assessed,and the reasonable analytical model is critical for successful damage detection.