基于振动测试与小波包分析的结构损伤预警

将结构振动测试技术与小波包分析相结合，提出对振动激励信号与响应信号分别 进行小波包分解并在此基础上计算结构的小波包脉冲响应函数及其小波包能量谱，用以表征 结构动力系统的损伤状态. 通过一钢筋混凝土板静力承载力的振动试验分析，计算该板在不 同受力阶段的小波包脉冲响应函数及其小波包能量谱，在此基础上对板不同受力阶段的损伤 状态进行了判别. 该方法克服了结构动力响应的小波包能量谱不能反映结构损伤状态的缺 点，试验表明所采用的方法是可行的.     

环境激励下基于小波包分析的结构损伤预警方法

将环境荷载激励技术与小波包分析相结合,提出对环境激励下的结构动力响应计算虚拟脉冲响应函数并在此基础上计算结构的小波包能量谱及其损伤预警指标,用以表征结构动力系统的损伤状态.通过Benchmark试验模型模拟结构的多种损伤状态,采集模型在环境激励下结构损伤前后的动力响应,计算了结构损伤预警的小波包能量谱及其损伤预警指标.试验结果表明,环境激励下基于小波包能量谱的结构损伤预警指标具有良好的损伤预警能力,可以准确地判定结构初期损伤的发生.     

基于曲率模态和小波奇异性的结构损伤识别

传统的傅立叶变换适合确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有在时域和频域局部放大的性质,在工程中获得广泛应用.由于曲率模态具有较高的灵敏度,仅仅需要较低阶的模态信息就可获得很好的识别效果.本文据此提出了采用损伤前后曲率模态残差小波变换系数方法对结构损伤进行识别,通过该小波变换系数的分布情况来确定结构的损伤指标.为验证该方法的有效性,通过选用具有线性相位的双正交样条小波,对一梁结构进行了数值模拟.结果表明,采用该方法不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置.     

一种新的小波及其在结构损伤检测中的应用

结构受冲击将引起某些部位的震荡、裂纹甚至断裂,从而导致结构刚度下降.此时振动信号会出现奇异性或携带突变信息,而这些突变信息反映了结构的损伤情况.加之冲击信号测试环境一般较为复杂,环境噪声对测试存在一定的影响.然而,利用合理的小波变换技术去噪可以识别出损伤情况.本文通过对冲击振动的信号特性进行分析构造了一种新的基本小波,并论证了该小波的基本特征.最后运用小波分析的信号奇异检测理论结合实例将该小波用于冲击振动仿真分析中.计算结果表明,利用该小波进行结构损伤信号分析能清晰地识别结构损伤的时刻.采用该小波函数的构造方法,可避免通常采用Daubechies系列小波作为信号分析而要繁琐地选择不同小波函数的过程.     

基于提升小波变换和互相关函数的梁式桥损伤检测

为了有效地提取梁式桥的损伤特征,提出了一种将提升小波变换与互相关函数幅值向量相结合的损伤识别的方法。首先利用提升小波变换将车载作用下梁桥结构的加速度响应分解到单阶模态上,再对提升重构后得到的第一阶响应进行互相关处理,利用提出的损伤指标来进行损伤定位。通过数值仿真和模拟实验,验证了方法的有效性,讨论了噪声及测点稀疏对识别结果的影响,结果表明该方法具有良好的噪声鲁棒性。另外,在综合考虑经济性和识别结果准确性的情况下,给出了合理的测点布置方式。     

基于小波包能量特征的薄膜涂层材料界面缺陷检测法

目前国际上对薄膜涂层界面缺陷尚缺乏有效的探伤方法.本文基于薄膜涂层材料中波传播的模型,考察了在涂层表面施加冲击脉冲激发表面波,测取涂层表面各点的动态特性,结合波形分析技术进行界面缺陷检测的可行性.通过有限元模拟分析产生脉冲载荷并且激发表面波,对涂层表面接收的加速度波响应信号进行小波包数学变换,提取小波包相对能量谱变化率指标,发现加速度信号的小波包相对能量谱变化率指标在存在界面缺陷的区域有显著的变化,并且在缺陷中心区域效果最明显,而且该指标对不同薄膜厚度界面缺陷的具有敏感性,可以通过该指标较准确的判断裂纹的位置和尺寸.此项研究可以为开发薄膜涂层界面缺陷的无损检测方法提供一定的理论基础.     

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。     

基于模态振型和平稳小波变换的悬臂梁微小缺陷识别研究

结构损伤识别方法有很多种,通常结构振动模态振型对缺陷的损伤识别较为敏感,振型体现结构的固有属性及结构局部的特征,可以用于检测缺陷的存在及其位置。但是缺陷比较微小时,仅仅通过振型难以进行损伤识别。因此本文通过对振型进行平稳小波变换处理来检测悬臂梁的微小缺陷。通过有限元模态分析获得含不同缺陷深度、不同缺陷宽度、不同缺陷位置的悬臂梁模型的振型并利用平稳小波变换进行分析处理。结果表明:该方法可以准确判断缺陷的存在及其位置,并且平稳小波细节系数突变峰值随着缺陷深度增大而增大,随着缺陷宽度增大而增大;另外,该方法受振型节点影响,在工程实际应用时应综合前几阶次振型进行缺陷识别。     

基于转角模态和小波神经网络的连续梁损伤识别研究

基于小波奇异性检测原理和神经网络非线性映射能力,结合结构基本模态参数,提出了一种结合小波神经网络与结构转角模态的损伤识别方法．首先,建立三跨连续梁的有限元模型获取结构模态参数,并对其进行Mexihat小波变换,通过系数图突变点判断结构损伤位置．然后,将小波系数模特征向量作为BP神经网络的输入,分别研究了该方法在单损伤和多损伤工况下的识别能力．最后将不同工况下神经网络预测值与结构实际损伤程度进行对比,得到单处损伤预测误差平均值为0.22%,多处损伤预测误差平均值分别为0.22%和0.18%,结果表明该方法在结构损伤识别方面的有较高有效性及精确度．     

基于应变模态小波变换的框架结构损伤识别研究

采用应变模态的小波变换方法研究了框架结构的损伤识别问题。以有限元分析求解含裂缝平面框架应变模态为基础,利用Guass2小波对框架的应变模态进行小波变换,再用db3小波对应变模态小波变换系数进行去噪处理,最后通过对去噪处理后的小波系数模极大值点来识别框架结构裂缝的位置,建立了基于应变模态小波变换识别平面框架损伤的方法。以一层平面框架为例,分别给出了框架梁含有裂缝、框架柱含有裂缝、框架梁和柱均含有裂缝的有限元模型,计算得到结构的应变模态,并通过应变模态小波分析来识别平面框架裂缝的位置。从识别结果发现,经小波去噪处理后应变模态小波系数的模极大值点能够有效识别框架结构的损伤,数值计算验证了方法的有效性。本文研究对工程结构损伤诊断有参考价值。     

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．     

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。     

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．     

随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

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.      

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

基于拓扑优化和深度学习的新型结构生成方法

计算机辅助设计已广泛应用于结构计算和分析,但如何利用计算机智能生成最佳的新型结构还面临巨大挑战。针对这一问题,提出了一种基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法。该方法首先通过结构拓扑优化分析获得不同参数下的优化结果制作训练集图片,并将训练集标签定义为相应的工况类型,然后应用最小二乘生成对抗网络(LSGAN)深度学习算法进行训练并生成大量的新型结构,最后建立评价指标和评估体系对生成的模型进行评价比较,根据需求选择最佳结构设计方案。结合一个铸钢支座节点底板设计的工程案例,详细阐述了上述方法的应用过程,并借助三维重构技术和增材制造技术实现结构模型的一体化制造。研究结果表明,基于拓扑优化和深度学习的新型结构智能生成方法不仅可以自动生成新的结构,而且可以进一步优化结构的材料用量和力学性能。     

Nondestructive damage detection in structures using changes in compliance

A methodology to identify damage in a structure is presented in this paper. The method utilizes a new form of damage index based on the changes in the distribution of the compliance of the structure due to damage. The changes in the compliance distribution are obtained using the mode shapes of the pre-damaged and the post-damaged state of the structure. The validity of the method is demonstrated using numerically generated data from beam structures and experimental data from a free–free beam structure with inflicted damage. In the numerical and experimental examples, the damage identification performance of the proposed method is compared with that of the existing strain-energy-based method. The results of the numerical and experimental studies indicate that the proposed compliance-based damage index method can be used in damage identification of the structure.     

Transmissibility of non-linear output frequency response functions with application in detection and location of damage in MDOF structural systems

Transmissibility is a well-known linear system concept that has been widely applied in the diagnosis of damage in various engineering structural systems. However, in engineering practice, structural systems can behave non-linearly due to certain kinds of damage such as, e.g., breathing cracks. In the present study, the concept of transmissibility is extended to the non-linear case by introducing the Transmissibility of Non-linear Output Frequency Response Functions (NOFRFs). The NOFRFs are a concept recently proposed by the authors for the analysis of non-linear systems in the frequency domain. A NOFRF transmissibility-based technique is then developed for the detection and location of both linear and non-linear damage in MDOF structural systems. Numerical simulation results verify the effectiveness of the new technique. Experimental studies on a three-storey building structure demonstrate the potential to apply the developed technique to the detection and location of damage in practical MDOF engineering structures.     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.