一种桁架结构损伤识别的柔度阵法

利用试验获得的一阶模态参数,提出了一种桁架结构损伤识别的柔度阵法,应用有限元方法柔度阵,建立结构振动特征方程,结构损伤后,引起柔度阵发生改变,从结构振动特征方程出发,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,可以确定结构物理参数的变化量,识别结构损伤部位及损伤程度,通过一个桁架结构损伤识别的数值模拟证明了该方法的有效性。     

基于静力柔度灵敏度的网架结构损伤识别

采用模态参数来组集网架结构的柔度矩阵面临较多困难，如所需模态数量较多、测点数量有限和密集模态识别精度较低等．相比之下，基于静力测试的柔度矩阵具有测试精度较高、无截断误差的优点．文中提出一种基于静力柔度灵敏度、先定位后定量的网架结构损伤识别方法．首先，针对柔度灵敏度方程容易产生病态解的问题，构造一种奇异值贡献指标以合理截断柔度灵敏度矩阵的奇异值，从而提高解的精度．其次，结合前述奇异值截断策略，在不更新刚度矩阵的前提下，通过多次计算来逐步缩减疑似损伤杆件，从而降低未损杆件的干扰和实现损伤杆件的定位．最后，仅保留灵敏度矩阵中已定位损伤杆件对应的列，在迭代计算中不断更新刚度矩阵来进行损伤杆件的定量识别．以某网架结构为例进行数值分析．结果表明：提出的奇异值贡献指标具有明显的突变位置，可方便地指出灵敏度方程奇异值截断位置；提出的两步识别法在仅利用竖向自由度的情况下具有较好的抗噪能力，可有效定位和定量识别损伤杆件．     

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。     

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。     

曲率模态及其在桁架桥梁损伤识别中应用

当前桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注，对桥梁结构进行状态监测和安全评估成为众多学者的研究课题。在目前所采用的各种方法中，模态分析法的应用最为广泛，通过监测桥梁的模态参数即可获得其状态信息。通常在模态分析中所采用的参数如：固有频率、振型等参数，反映的都是结构的整体特性，难以用来确定故障位置，只有利用能够表征结构局部特性信息的模态参数曲率模态的变化，才能完成桥梁状态监测工作。本文以1：10钢桁架桥梁模型为研究对象，用有限元模型及实验模型进行局部损伤的识别，实验采用锤击法及变时基(VTB)技术对桥梁模型进行了模态分析。识别表明，通过曲率模态的变化可明显识别结构的损伤部位，取得了很好的识别效果。为今后桥梁结构损伤识别提供了一种可行的研究方法。     

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．     

利用振动模态测量值和神经网络方法的结构损伤识别研究

提出了一种基于模态测量参数和神经网络的结构损伤检测方法,建造了两种输入方式的BP神经网络,即自振频率以及结合自振频率与振型,并讨论了不同数量的输入信息对结构损伤检测精度和计算效率的影响。证明了输入的参数越多,神经网络就越聪明,训练的收敛速度越快;以及在保证一定的测量精度的情况下,基于频率与振型的损伤识别结果要好于基于频率的检测结果。最后,通过对3层框架模型的4种损伤工况下的结构损伤检测结果的分析,认为利用模态测量参数和神经网络方法能够准确地识别结构损伤的位置,而且能较精确地识别结构损伤的大小。     

基于聚类算法和自由度集结的柔性结构模型降阶研究

提出了采用k-means聚类算法对动力相似自由度进行自动集结的模型降阶方法。考虑动力荷载空间分布,给出了根据模态参与系数选取原模型重要模态的方法,并讨论了次要方向自由度舍弃的方法。根据重要模态中各自由度振型值的相似性,应用聚类算法对自由度进行自动分类,从柔度矩阵元素的定义入手推导了结构矩阵显式条件下柔度法降阶的统一表达式,并证明了降阶模型的正定性、对称性及正交关系。最后通过一榀40层混凝土框架结构模型由240自由度降阶为8自由度的算例,说明了柔度法降阶的有效性及降阶模型评判指标的合理性。     

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。     

基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究

基于振动参数的结构损伤识别,是近年来土木工程的热点研究课题,振动参数包括频率、振型、频响函数、模态应变能、应变响应和加速度响应等,当结构损伤时,损伤位置附近将产生应力重分布,从而引起应变的变化,因此对比损伤前后的应变或者应变响应参数,可以用来识别结构损伤.提出了一种应变脉冲响应协方差参数,它是应变脉冲响应在时间区间上的能量积分;推导并证明了该参数是结构模态参数(频率,位移模态,应变模态,阻尼等)的函数,可用来表征结构状态.相比于传统的模态参数识别方法,可以保留更高阶的模态参数,而且避免了模态识别可能引起的误差;基于简支钢梁的多种损伤工况,研究和展示了该参数的特性,通过数值模拟发现,该参数能简单直观地判定损伤发生和识别损伤位置,无需建立结构分析模型,只需比较结构损伤前后的应变脉冲响应协方差参数即可;该参数简便易算,具有较好的抗噪性能,对结构损伤敏感,而且对结构刚度减少呈现一致变化特性,所以适合实际工程结构的健康监测和损伤识别.     

DAMAGE DETECTION BASED ON OPTIMIZED INCOMPLETE MODE SHAPE AND FREQUENCY

For the purpose of structural health monitoring, a damage detection method combined with optimum sensor placement is proposed in this paper. The back sequential sensor placement(BSSP) algorithm is introduced to optimize the sensor locations with the aim of maximizing the 2-norm of information matrix, since the EI method is not suitable for optimum sensor placement based on eigenvector sensitivity analysis. Structural damage detection is carried out based on the respective advantages of mode shape and frequency. The optimized incomplete mode shapes yielded from the optimal sensor locations are used to localize structural damage. After the potential damage elements have been preliminarily identified, an iteration scheme is adopted to estimate the damage extent of the potential damage elements based on the changes in the frequency. The effectiveness of this method is demonstrated using a numerical example of a 31-bar truss structure.     

基于改进遗传算法主动柔性结构压电元件位置优化

基于改进的遗传算法提出了一种解决多压电片布置在柔性结构上以实现振动主动控制的有效方法.本文采用D优化设计准则,即把Fisher信息矩阵行列式最大值作为目标函数的一种优化方法.通过对结构模态振型和动力特性的研究,使用一种简单的方法将所选择的低阶模态振型转化为归一化形式,最后通过结构模态振型可确定压电片最优位置.为了达到更好的振动控制效果,压电片布置在结构模态应变最大位置处.当在结构不同位置上布置压电片时,结构各阶模态振型也将随之发生不同程度的变化.本文建立了ANSYS软件和遗传算法的接口来实现对结构的模态重分析,从而提取各阶模态振型.     

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.     

网壳结构健康监测中的传感器优化布置

针对网壳结构健康监测提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置的方法.由于模态数目的选取对基于损伤灵敏度分析的传感器优化布置有很大的影响,因此本文建立了一种同时包含模态独立性信息和损伤灵敏度信息的Fisher信息矩阵,并选取合适的模态数目,然后发展了一种以信息矩阵最大和条件数最小为准则的多目标优化算法.空间网壳数值算例表明,本文提出的传感器优化方法能简单、有效地为空间结构传感器优化布置提供可行方案.     

基于高次广义柔度灵敏度的结构损伤识别

柔度矩阵可以由结构的低价模态近似计算获得，因此被广泛用于结构的模型修正和损伤识别中。由普通柔度派生而来的广义柔度，可以由低价模态数据更加精确的获得，且随着广义柔度次数的增高其精度越高，往往只需要第一或二阶模态数据即可获得很准确的高次广义柔度。因此，广义柔度灵敏度方法自提出以来受到广泛关注。本文详细研究了基于高次广义柔度灵敏度的损伤识别计算方法，研究中发现，利用广义柔度灵敏度进行损伤识别计算时，并非越高次的广义柔度其识别结果越准确，随着广义柔度次数的增加，损伤识别结果精度呈现出先提高但随后显著降低的趋势。究其原因在于，虽然随着广义柔度次数的增加，广义柔度本身的精度更高，但与之相应的灵敏度方程组系数矩阵的条件数却也显著增大了，即方程组的病态性反而更加严重了，这导致了基于高次广义柔度计算所得的损伤参数的精度反而不如低次广义柔度的情况。因此，本文的研究表明，工程中利用广义柔度进行模型修正或损伤识别时，一般采用一次广义柔度或二次广义柔度即可，且计算中为了克服方程组的病态性和数据噪声的不利影响，本文提出了一种反馈奇异值截断法，能够明显提高计算精度，获得较准确的识别结果。     

A 2-D continuous wavelet transform of mode shape data for damage detection of plate structures

A two-dimensional (2-D) continuous wavelet transform (CWT)-based damage detection algorithm using “Dergauss2d” wavelet for plate-type structures is presented. The 2-D CWT considered in this study is based on the formulation by Antoine et al. (2004). A concept of isosurface of 2-D wavelet coefficients is proposed, and it is generated to indicate the location and approximate shape or area of the damage. The proposed algorithm is a response-based damage detection technique which only requires the mode shapes of the damaged plates. This algorithm is applied to the numerical vibration mode shapes of a cantilever plate with different types of damage to illustrate its effectiveness and viability. A comparative study with other two 2-D damage detection algorithms, i.e., 2-D gapped smoothing method (GSM) and 2-D strain energy method (SEM), is performed, and it demonstrates that the proposed 2-D CWT-based algorithm is superior in noise immunity and robust with limited sensor data. The algorithm is further implemented in an experimental modal test to detect impact damage in an FRP composite plate using smart piezoelectric actuators and sensors, demonstrating its applicability to the experimental mode shapes. The present 2-D CWT-based algorithm is among a few limited studies in the literature to explore the application of 2-D wavelets in damage detection, and as demonstrated in this study, it can be used as a viable and effective technique for damage identification of plate- or shell-type structures.     

Best achievable modal eigenvectors in structural damage detection

This paper reports a modal formulation of the original method presented by Lim and Kashangaky, based on the use of the best achievable eigenvectors in damage detection problems. The method requires the measurement of both frequencies and mode shapes. The structural damage is located by computing the Euclidean distances between the measured mode shapes and the best achievable modal eigenvectors. The method is able to detect loss of both stiffness and mass properties, even though in this paper only the loss of stiffness will be analyzed. A simple numerical example is reported to investigate the applicability of the modal formulation. Finally, an experimental validation is included using a 10-bay truss laboratory structure.     

基于多种搜索策略的人工蜂群算法的结构损伤识别

人工蜂群算法是一种元启发式算法,具有构架简单,易于操作和鲁棒性较好的特点。本文对原始蜂群算法进行了改进,为蜜蜂们提供了更丰富的搜索策略。基于轮盘赌原则选择更优的迭代方式,进而使算法的收敛速度和精度有了显著的提高。基于频率残差和模态置信准则(MAC)建立结构损伤识别问题的目标函数,然后利用ABC算法,QABC算法和本文方法求解该目标函数,得到损伤识别的结果。利用一桁架结构做数值模拟,用简支梁结构进行实验验证。算例表明,改进的算法更能有效地检测出结构的局部损伤,具有对测量噪声不敏感、高效率以及高精度等优点。     

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.