基于概率神经网络分类器的数据融合损伤检测方法

为了有效地利用来自大型结构健康监测系统大量冗余、互补的信息进行结构健康状况评估,本文从数据融合的基本原理入手,将小波分析、概率神经网络和数据融合等技术有机地结合起来,提出了一种5阶段的决策级数据融合损伤检测新方法,最后用2个数值算例验证了方法的有效性,并探讨了测量噪声对损伤识别的影响.研究结果表明,所提出的方法是可行、有效的.     

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。     

结构损伤的非概率区间识别方法

基于结构时域加速度响应,利用区间分析方法对具有外界激励和测量数据不确定性的结构系统进行损伤识别.不确定性量被处理为有界区间数,基于参考有限元模型和被测加速度响应,经过提出的两步模型参数的区间修正方法分别得到了未损伤和损伤结构区间模型,进而通过定义的PoDE(Possibility of Damage Existence)确定了结构各单元的损伤可能性.最后以十杆平面桁架系统为例,对区间方法与概率方法的损伤识别结果进行对比,讨论了损伤程度和不确定度对识别结果的影响,结果表明了本文方法的可行性与有效性.     

基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤识别方法研究

为了解决基于小波变换系数难以识别结构边缘损伤的问题,以及试验中损伤对周边的影响导致小波系数难以精确定位损伤位置的问题,提出了基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤位置识别方法。该方法结合梁结构连续抗弯刚度与小波系数边缘的特点,在未知无损梁结构振动参数的情况下,能有效识别出梁结构边缘损伤且能准确定位试验中梁结构的损伤,通过损伤梁的数值模拟与试验证明了该方法的正确性。     

On-line identification of non-linear hysteretic structures using an adaptive tracking technique

System identification and damage detection based on vibration data have received considerable attention recently because of their importance to structural health monitoring. Various technical approaches have been proposed in the literature; however, the on-line identification of the changes of parameters for non-linear structures due to damages is still a challenging problem. In this paper, we propose an on-line adaptive tracking technique, based on the least-square estimation, to identify the system parameters and their changes of non-linear hysteretic structures. The method proposed is capable of tracking abrupt or slow changes of the system parameters from which the damage event and the severity of the structural damage can be detected and evaluated. Simulation results for tracking the parametric changes of non-linear hysteretic structures are presented to demonstrate the application and effectiveness of the proposed technique in detecting the structural damages.     

环境温度影响下基于支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的结构稀疏损伤识别

结构处于自然环境中常会受到环境温度变化的影响,引起实测动力响应出现较大误差,进一步影响对结构健康状况的判定.另外,基于优化算法的损伤识别在反演损伤位置及量化损伤程度时,易出现局部最优解,且计算效率低下.针对以上难题,本文提出一种结合支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的损伤识别方法,用于对环境温度影响下的结构稀疏损伤进行识...     

基于L1正则化的随机梁式结构静力损伤识别方法

提出了一种结合摄动法和L1正则化方法的随机梁式结构静力损伤识别方法。考虑初始模型误差和测量误差的影响,建立了关于随机损伤指数的控制方程,并将摄动法和L1正则化方法相结合,对随机损伤指数的控制方程进行求解,进而从概率的角度对结构的损伤进行识别。损伤试验结果表明,和传统的最小二乘求解法相比,本文方法能够更为准确地识别多处局部损伤的位置及大小,对实际结构损伤检测具有较好的参考价值。     

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。     

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．     

区间参数结构平稳随机载荷识别方法

针对贫信息下不确定性结构的随机载荷识别问题,使用基于Taylor展开的区间分析方法,提出了一种不确定性结构随机载荷识别的非概率区间方法。该识别方法在频域中进行,识别时使用区间变量描述工程结构中的不确定性参数。基于测点的响应谱密度函数,首先对不确定性参数的名义值点进行随机载荷识别,其次计算载荷关于不确定性参数的灵敏度,最后基于区间扩张理论获得识别载荷谱的上下界值。算例结果表明,使用区间方法得到的不确定性结构的载荷谱识别区间界值都能完全包含载荷真值,此方法能够在结构设计时给出更为可靠的载荷工况。     

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。     

基于Mindlin板理论的偏移损伤成像数值仿真研究

提出了一种应用散射Lamb波的偏移技术对板结构中多部位损伤进行实时识别.基于Mindlin板理论,推导了板结构中弥散性弯曲波频率-波数域的快速偏移方法.首先对由线性传感器阵列激励和接收到的入射和散射波场在波数-频率域分别进行延拓,然后根据Huygens原理,结合波场延拓的时间一致性原理施加成像条件,对损伤进行成像识别.数值仿真研究采用基于Mindlin板理论的有限差分法模拟结构中含不同形状及尺寸损伤时的散射波场.对模拟散射波场进行偏移成像的结果表明该方法不仅能够识别多部位损伤的位置,还具有识别损伤程度的能力,其快速计算的优点满足在线结构健康监测系统对实时性的要求.     

既有钢桁梁桥损伤识别与诊断方法研究

从结构动力学基本理论出发，对既有钢桁梁桥的损伤识别与诊断方法进行了研究. 通过选取钢桁梁桥损伤前、后的固有频率作为特征参数，并应用BP神经网络方法和MATLAB方法对桥梁损伤识别和诊断过程进行了深入细致地分析，提出了一套完整的桥梁损伤识别和诊断过程流程图. 最后，用一实际钢桁梁桥的损伤识别进行了数值模拟，计算结果证明了该方法的准确性和有效性.     

Sequential non-linear least-square estimation for damage identification of structures

An early detection of structural damage is an important goal of any structural health monitoring system. In particular, the ability to detect damages on-line, based on vibration data measured from sensors, will ensure the reliability and safety of the structures. In this connection, innovative data analysis techniques for the on-line damage detection of structures have received considerable attentions recently, although the problem is quite challenging. In this paper, we proposed a new data analysis method, referred to as the sequential non-linear least-square (SNLSE) approach, for the on-line identification of structural parameters. This new approach has significant advantages over the extended Kalman filter (EKF) approach in terms of the stability and convergence of the solution as well as the computational efforts involved. Further, an adaptive tracking technique recently proposed has been implemented in the proposed SNLSE to identify the time-varying system parameters of the structure. The accuracy and effectiveness of the proposed approach have been demonstrated using the Phase I ASCE structural health monitoring benchmark building, a non-linear elastic structure and non-linear hysteretic structures. Simulation results indicate that the proposed approach is capable of tracking on-line the changes of structural parameters leading to the identification of structural damages.     

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.      

自由度缩聚的柔度损伤诊断法

为了提高结构在模型自由度缩聚情况下的损伤识别结果的精度，本文推导了基于改进Guyan 缩聚法的结构振动方程式．通过求解振动特征方程，利用其特征值和特征向量构建结构缩聚后的柔度矩阵表达式，并引入结构缩聚后的柔度曲率矩阵差和柔度曲率矩阵变化率两个损伤指标，将引入的新损伤指标应用于平面桁架的损伤识别．研究表明：不管是单损伤还是多损伤，仅仅需要一阶模态参数，利用其引入的新损伤指标就可以精确地识别出损伤杆单元位置．即使在高强度噪音的影响下，也保证了其损伤识别结果的精确性．验证了本文基于改进的Guyan 缩聚法推导出的损伤指标具有较好的损伤定位性能和较高的抗噪性能．     

基于静力残余力向量的结构损伤评估方法

残余力向量法是一类常用的损伤识别方法,现有的残余力向量法都是基于动力测试的模态参数,和动力测试数据相比,静力测试数据往往精度更高,且无需模态分析等复杂操作.鉴于此,本文提出一种静力残余力向量法用于结构损伤评估.所提方法利用静力测试位移数据,并结合结构有限元模型的刚度矩阵,定义了静力残余力向量,根据该向量中不为零的元素来判断损伤自由度,再根据自由度和单元之间的对应关系来确定发生损伤的位置,并进一步提出一种求解损伤参数的代数解法.另外,针对实践中角位移难以测量的情况,进一步提出了一种静力缩聚残余力向量法,拓宽了所提方法的应用范围.以桁架结构和梁结构模型为例对所提方法进行了验证,数值算例结果说明所提方法合理有效.     

Statistical detection of structural damage based on model reduction

This paper proposes a statistical method for damage detection based on the finite element （FE） model reduction technique that utilizes measured modal data with a limited number of sensors. A deterministic damage detection process is formulated based on the model reduction technique. The probabilistie process is integrated into the deterministic damage detection process using a perturbation technique, resulting in a statistical structural damage detection method. This is achieved by deriving the first- and second-order partial derivatives of uncertain parameters, such as elasticity of the damaged member, with respect to the measurement noise, which allows expectation and covariance matrix of the uncertain parameters to be calculated. Besides the theoretical development, this paper reports numerical verification of the proposed method using a portal frame example and Monte Carlo simulation.     

AN IMPEDANCE ANALYSIS FOR CRACK DETECTION IN THE TIMOSHENKO BEAM BASED ON THE ANTI-RESONANCE TECHNIQUE

An alternative technique for crack detection in a Timoshenko beam based on the first anti-resonant frequency is presented in this paper.Unlike the natural frequency,the anti-resonant frequency is a local parameter rather than a global parameter of structures,thus the proposed technique can be used to locate the structural defects.An impedance analysis of a cracked beam stimulated by a harmonic force based on the Timoshenko beam formulation is investigated.In order to characterize the local discontinuity due to cracks,a rotational spring model based on fracture mechanics is proposed to model the crack.Subsequently,the proposed method is verified by a numerical example of a simply-supported beam with a crack.The effect of the crack size on the anti-resonant frequency is investigated.The position of the crack of the simply-supported beam is also determined by the anti-resonance technique.The proposed technique is further applied to the"contaminated"anti-resonant frequency to detect crack damage,which is obtained by adding 1-3% noise to the calculated data.It is found that the proposed technique is effective and free from the environment noise.Finally,an experimental study is performed,which further verifies the validity of the proposed crack identification technique.