考虑质量变化的刚架结构损伤识别方法研究

结构构件出现缺口损伤时,伴随着结构质量的减小。为了更精确地识别结构损伤,以折减损伤单元截面积来模拟结构损伤,提出考虑结构质量变化的刚架结构损伤识别方法。该方法首先通过相对模态应变能指标对结构损伤进行准确定位;之后考虑梁单元截面特性变化的特点将单元刚度矩阵进行分解,以多个指标描述单元损伤,从而建立结构损伤程度识别方程,并用最小二乘方法对损伤指标进行求解。数值算例结果表明,本文方法能实现对刚架结构损伤位置的准确定位和损伤程度的精确识别,而且具有良好的抗噪性。     

基于静力挠度的梁结构损伤识别两阶段方法

基于梁弯曲挠度的三次样条插值,利用应变能损伤定位指标和有限元损伤状态方程,建立了梁损伤识别的两阶段方法.首先假定结构损伤对结构应力重分布影响较小,证明了损伤梁单元的静态应变能改变量大于零.考虑测量噪声及挠度三次样条插值近似引起的误差,引入损伤定位指标阈值和损伤概率,确定了梁的可能损伤单元.在此基础上,利用有限元法,建立了可能损伤单元的损伤状态方程,通过损伤状态方程的求解完成损伤程度的确定.最后,为验证所提损伤识别两阶段方法的有效性和可靠性,对简支梁和固支梁的损伤情况进行了数值模拟,结果表明:所提方法不仅可有效地识别梁损伤单元,而且对测量噪声具有较强的鲁棒性.     

灰色相关性分析在结构静力损伤识别中的应用

基于灰色理论的相关性分析方法，首次提出了灰色曲率关联系数的概念并将其应用到结构的静力损伤识别中，提出了对局部损伤十分敏感的静态位移曲率置信因子SDCACi，通过该因子的大小对各节点所连接的单元是否会发生损伤进行精确的判断，然后运用最小二乘法对损伤区域的损伤程度进行识别．并将该方法应用于两端固支梁的损伤识别中，由识别结果可以证明：不论测量数据(用有限元仿真计算并考虑了测量误差)的多少，该方法对结构中的单损伤和多损伤都能进行准确的定位，因此该方法在大型结构及复杂结构的损伤识别中具有广阔的应用前景．     

考虑数据不确定性的结构损伤识别Bootstrap-BC_a法

传统的基于概率统计分析的结构损伤识别方法通常需要人为假定不确定性参数服从某种概率分布,当此假设与现实不符时,可能导致损伤误判。为此,结合频响函数与Bootstrap相关理论,提出一种考虑测量数据不确定性的结构损伤识别Bootstrap-BC_a法。首先根据结构损伤前后的多组结构响应识别相应各单元的刚度损伤系数δ_i~u和δ_i~d;进而采用Bootstrap-BC_a法分别估计各个单元的δ_i~u和δ_i~d在置信度为95%下的置信区间;最后通过所定义的结构损伤可能度指标PDI和单元损伤程度指标DLI来确定结构各单元的损伤可能性和损伤单元的损伤程度中值及区间。以数值算例来验证所提方法的可行性及可靠性,并分别讨论了数据不确定度、原始样本个数对损伤识别结果的影响。结果表明所提方法在考虑测量数据不确定性的情况下,仅需少量样本即可准确地识别出单元的损伤位置和损伤程度,具有一定的工程应用价值。     

基于均布荷载挠度曲率的梁结构损伤识别方法

为运用荷载挠度曲线进行损伤识别，通过力法推导了梁结构在均布荷载作用下的挠度曲率理论公式，提出通过损伤前后的挠度曲率差进行损伤定位，针对多跨连续梁均布荷载下挠度曲率指标存在的损伤识别漏判问题，提出逐跨均布荷载挠度曲率指标以避免其影响，并建立了挠度曲率与损伤程度的理论关系式，可对损伤程度进行较精确的定量描述．通过一简支梁和一三跨连续梁算例，考虑多种损伤工况，分析了指标在不同程度噪声水平下的抗干扰能力，验证了挠度曲率损伤指标应用于实际的可行性．     

基于应变能等效指标的结构损伤识别技术研究

为了解决结构的多损伤识别问题,提出了一种基于应变能等效指标的损伤识别方法。首先给出了损伤前后模态应变能变化的表达式以及能量耗散公式,然后根据结构的能量耗散与应变能的变化值等价的原理,建立了一个四阶等效方程,最后求出了该方程的四个根,并通过对该方程四个根的分析得到了一个应变能等效指标,通过该指标可以方便的求解损伤的位置和程度。数值仿真结果表明,基于应变能等效指标的损伤识别方法不仅可以精确的识别出损伤的位置和程度,而且其识别精度明显好于应变能耗散率方法。     

基于柔度矩阵曲率范数差的结构损伤识别方法

基于模态柔度矩阵曲率范数差构造了一种损伤识别新指标。首先对损伤前后柔度矩阵按列、行分别求两次曲率,再对曲率矩阵的列向量求2-范数差,得到2-范数下各节点的损伤定位指标值。根据梁式结构刚度和位移曲率的负相关关系,推导出准确定量损伤程度的理论表达式,对单损伤和相邻多损伤进行了损伤定量分析。基于串联弹簧原理,提出了等效损伤程度分析模型,建立了测点间梁单元局部损伤与全损伤之间的损伤程度对应关系。采用某三跨连续梁用作仿真算例,结合已有的均匀荷载面曲率差指标,并考虑多种损伤工况,对指标进行对比分析,结果表明该方法仅需低阶模态参数即可进行损伤检测,且具有较好的抗噪声能力。采用对比测点间梁单元局部损伤与全损伤工况基频的方法,验证了所提等效损伤程度计算方法的合理性。     

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。     

THE DAMAGE LOCALIZATION FOR PLATE STRUCTURES BASED ON MODIFIED MODAL STRAIN ENERGY INDEX

为解决模态应变能方法识别中产生的"邻近效应"问题,提出基于修正模态应变能指标的板结构损伤定位方法.该方法首先利用邻近测点的应变能变化相对大小计算权重系数,再根据权重系数对测点相应区域的应变能进行重新分配.此外,通过定义的损伤辨识度指标研究噪声对损伤定位结果的影响.为验证本文所提方法的可行性和有效性,以一个四边简支板为数值算例.算例结果表明,本文方法对于点状、块状和带状损伤都可以实现准确定位,且具有良好的抗噪性.     

基于修正模态应变能指标的板结构损伤定位

为解决模态应变能方法识别中产生的"邻近效应"问题,提出基于修正模态应变能指标的板结构损伤定位方法.该方法首先利用邻近测点的应变能变化相对大小计算权重系数,再根据权重系数对测点相应区域的应变能进行重新分配.此外,通过定义的损伤辨识度指标研究噪声对损伤定位结果的影响.为验证本文所提方法的可行性和有效性,以一个四边简支板为数值算例.算例结果表明,本文方法对于点状、块状和带状损伤都可以实现准确定位,且具有良好的抗噪性.     

基于Rayleigh-Ritz算法的梁裂缝损伤识别及试验研究

结构动态特性的变化则预示结构出现损伤，基于Ritz线性近似，文中提出一种裂缝损伤识别的方法，用以识别结构裂缝损伤位置及损伤程度。该方法分两步：首先用模态子空间近似关系．消去模态应变能表达式中的整体刚度矩阵和整体质量矩阵，避免模型误差对识别结果的影响。再采用计算向量空间夹角的方法分离损伤位置与损伤程度的耦合影响，进而识别出单元裂缝损伤位置；其次，识别损伤程度采用二次线性规划方法，不再计算特征值灵敏度。线性约束条件保证了二次规划问题的解是唯一的。模拟筒支梁几种裂缝损伤情况进行数值计算与模态试验，利用所得模态参数对该算法程序进行了验证，识别出了裂缝损伤的确切位置及损伤程度，并进行了误差对比。结果表明，该算法由于不用整体结构的数值模型，从而避免了边界条件、连接条件及材料特性参数等因素对识别结果的干扰，识别精度得到提高，将其用于结构损伤识别是可行的。     

基于支座反力影响线曲率差分的等截面连续梁损伤识别方法

为了实现仅采用损伤状态信息对等截面连续梁进行损伤识别,通过推导三跨不等跨连续梁在移动荷载作用下的支座反力影响线,发现支座反力影响线求曲率并作差分后的曲线在损伤位置会发生突变,基于该现象提出了一种损伤定位方法,进一步建立了损伤程度计算方法,可对损伤程度进行较精确的定量。通过一三跨连续梁和一四跨连续梁工程实例的仿真分析,证明了支座反力影响线曲率差分指标损伤定位和相应的损伤程度定量方法对等截面连续梁损伤识别具有可行性。     

变截面门式刚架结构分析的微分求积单元法

本文采用一种精确、简便的数值计算方法——微分求积单元法(DQEM)对变截面门式刚架结构进行了力学分析。首先建立了一般荷载作用下变截面构件的平衡微分方程，并采用微分求积法进行离散，进而得出了较为精确的分析变截面构件的单元力学模型。该模型的刚度方程不仅反映了单元的刚度性质，而且反映了单元的实际荷载作用，可较为精确地分析变截面门式刚架结构在分布载荷作用下的受力性能。通过与有限元法计算结果的比较，表明了微分求积单元法在变截面刚架的力学分析中的正确性和优越性。微分求积单元法可用于任意形状的刚架结构的静力分析。     

基于柔度的桁架结构损伤定位方法

建立了一种基于模态柔度的桁架结构损伤定位方法。从结构柔度矩阵与刚度矩阵的正交关系出发,将损伤结构在观测模态下的节点误差作为损伤定位的动力指纹,通过采用模态参数的一阶矩阵摄动技术,以近似解析的方式推导了本文方法的损伤定位原理。并且通过对一个典型桁架结构的数值模拟研究,验证了本文损伤定位方法的有效性和鲁棒性。研究结果表明,本文基于柔度的损伤定位方法能够在实际观测条件下,准确地识别桁架结构的损伤单元位置。     

基于静态信息结构损伤定位的模式匹配法

为对结构损伤进行准确的定位,本文从有限元基本方程出发,将结构损伤程度变量从测点位移列阵中分离出来,从而定义了标志损伤位置的损伤向量,通过求解实测位移列阵与损伤向量的相关系数,可以准确地进行损伤定位。文末算例说明即使在考虑测量误差的情况下本文方法也有很高的准确性。     

基于频率二阶摄动的结构损伤识别方法

结构损伤的定位和定量是结构健康监测的关键技术之一。本文将矩阵摄动理论、结构振动理论和有限元理论相结合推导出结构固有频率变化的二阶摄动公式,由此公式可以反演结构的损伤位置与损伤程度。该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就能识别出结构的损伤位置和损伤程度,而且还可以识别出结构的老化程度。通过数值仿真算例证明了该方法的有效性和实用性。该方法可用于大型结构的损伤识别和健康监测。     

基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别

根据桥梁结构的实际工程特性,分析其边界条件变异、结构损伤及其参数变化,采用约束优化理论,建立以实测和理论模态参数误差平方和最小为目标函数的优化反演问题。基于矩阵摄动理论引入与结构动力方程对应的特征值和特征向量的一阶、二阶摄动量,将优化反演问题简化为非线性最小二乘法优化反演问题。针对桥梁结构边界条件对模态参数影响显著的实际情况,实施桥梁结构边界条件预识别,采用单元模态应变能方法预定位损伤,提出考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别具体流程。以一磁浮轨道梁方案为例,采用数值模拟进行边界条件变异及损伤的识别验证,结果表明:该方法能够有效识别边界条件的变异及构件损伤,识别参数的相对误差最大为12.48%,具有较高的识别精度。     

基于因子分析的简支梁桥损伤识别

为了降低测量噪声对桥梁损伤检测结果的影响,提高检测方法在实际工程中的实用性,提出了一种基于因子分析的简支梁桥损伤识别方法。首先,对采集的位移信号进行因子分析,得到信号的公共因子和特殊因子,通过去除公共因子达到降噪目的。然后,采用统计方法和D-S证据理论对特殊因子进行处理并构造损伤指标。通过一个简支梁桥有限元模型的算例进行数值分析,讨论了噪声、车辆移动速度及质量对损伤识别产生的影响。结果表明：车速在30～80 km/h范围内时,所提方法可以准确定位较小程度的结构损伤;此外,噪声和载质量对识别结果影响较小,满足实际工况需求,说明所提方法具有很强的抗噪能力和实用价值。     

空间钢支撑框架损伤诊断研究

为诊断空间钢支撑框架的损伤,提出了两阶段损伤诊断法.该方法综合了损伤定位向量法和特征灵敏度分析.推导了空间梁、柱和支撑单元的特征应力计算公式,定义了连接单元的特征应力,推导了模态参数差量对结构模型参数的一、二阶灵敏度和梁端连接损伤的梁单元刚度矩阵.完成了一个空间钢支撑框架模型损伤诊断试验,模拟了支撑损伤和连接损伤的7种损伤模式.采用力锤激励方式,使用特征系统实现算法识别模态参数;使用损伤定位向量法判定可能损伤单元,采用二阶特征灵敏度分析确定可能损伤单元的损伤程度.结果表明,当杆件或连接损伤达到一定程度时,两阶段损伤诊断法能有效诊断损伤.     

基于应变指标和D-S证据理论的简支梁桥损伤识别

为了提高桥梁结构的损伤识别准确率,并摆脱对桥梁损伤前信息的依赖,提出基于应变指标和D-S证据理论(Dempster提出由Shafer完善形成的一种推理理论)的损伤识别方法。首先采用结构损伤状态下的动态应变响应分别构建应变标准差(SSD)指标和平均伪比能(APSED)指标;然后利用曲线拟合技术对两个应变指标进行改进;最后根据D-S证据理论融合两个改进的指标来定位损伤。将所提方法用于一个简支梁桥的数值模型,讨论了损伤程度和测试噪声对损伤识别结果的影响,发现SSD和APSED对噪声具有较强的鲁棒性,且损伤识别结果准确率高,并通过实验研究验证了所提方法的有效性。