结构状态识别与评估的机器学习方法研究进展

结构健康监测通过在大型工程结构上安装多类型传感器,感知、采集、传输和处理多元数据,已经成为保障重大工程结构安全的重要手段.随着结构健康监测系统的广泛应用,产生了海量的监测数据,如何通过监测数据识别和评估结构状态与安全是核心科学问题之一.由于土木工程结构的复杂性,状态识别与评估的核心难点是高维问题优化与求解,机器学习在高维问题求解方面具有很强的能力,为该问题的解决提供了新的思路.本文重点阐述机器学习在结构模态识别、损伤识别及可靠性评估等方面的研究进展,并讨论未来在该研究方向的发展趋势.     

埋光纤光栅传感器智能土木结构应变监测

采取与土木工程施工特点相适应的操作工艺与保护方法，将光纤Bragg光栅传感器埋入钢筋混凝土结构中，分别在实验室和实际工程施工现场对混凝土内部的应变进行了测量。实验中光纤Bragg光栅传感性能良好，能够监测混凝土内部应变状态，显示出成活率高、绝对值测量、寿命长等优势，为建立基于光纤传感器的结构健康监测系统奠定了基础。     

基于认知技术的Lamb波结构损伤检测

在雷达领域最新技术进展的启发下,提出了一种新的概念——认知结构健康监测。认知结构健康监测是一种可以智能处理环境变化引起影响的结构健康监测系统:在先验知识及智能推理的基础上,通过调整系统输入及输出功能实现智能处理。并在此基础上提出了一种基于认知的Lamb波结构损伤检测方法,通过仿真进行了验证。铝板上的仿真结果表明,该方法能够在温度变化等干扰下准确地提取出与边界反射波混叠的损伤反射波,从而实现对边界附近损伤的检测。     

高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述

随着我国高速列车的发展, 针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注. 轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件, 在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效, 影响列车的行车效率和运行安全. 而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求, 亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术. 首先, 介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状. 然后, 从动力学正、反问题两个方面, 分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展. 最后, 对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望, 评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.      

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.      

基于图像的磨粒在线监测系统关键技术研究

针对磨粒在线监测系统开发要求,对其中的关键技术进行了深入研究.构建了基于显微图像分析和微泵进样的磨粒在线监测系统,给出了图像检测子系统和微流控分析芯片的详细设计原理和方法;利用粗糙集理论对磨粒特征参数进行了优化;根据系统光路特点,对磨粒图像进行了基于彩色特征的转换,并通过与背景图像的差值处理来快速提取磨粒目标.最后,利用颗粒计数器和铁谱分析技术对系统性能进行了检验,结果表明本系统磨粒统计与识别准确率分别达到90%和95%,具有较高的检测精度,满足磨粒在线监测要求.     

基于网络的数值分析系统

结合并行有限元分析以及Java分布式Web计算,介绍了基于网络的数值分析系统。首先介绍了系统的结构组成,进而给出系统的具体构建过程,并结合一些算例表明系统在土木工程中的实际应用,最后给出了结论。本系统将计算机网络技术以及面向对象的方法引入有限元分析以及土木工程领域,进行了有益的探索,研究可望将互联网变成工程师的日常工作中心。     

基于神经网络技术的管道机电阻抗健康状况定量评估研究

将机电阻抗法用于管道法兰和主干结构健康监测,并利用BP神经网络对结构损伤进行定量评估.首先实验研究了管道法兰与主干结构健康状况对阻抗谱的影响,不同的结构损伤可通过阻抗分析仪测量的阻抗实部谱变化反映出来;然后利用BP神经网络技术对管道不同工况下得到的阻抗实部谱进行定量分析.采用阻抗值实部作为输入样本对神经网络进行训练,并使用受训的神经网络实现了对管道中不同结构损伤状况的定量评估.研究结果表明,将机电阻抗法与神经网络数据处理技术结合起来用于复杂管道的结构健康监测,不仅可实现对不同类型损伤的定量评估,同时还具有较高的稳定性.     

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.     

绞合式光纤应变传感器

研究了一种可用于工程结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,由两根以上多模光纤相互绞合形成,分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变,又有测定压应变的结论,传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性、灵敏度高、无迟滞现象,对钢筋拉应变、混凝土压就矿业的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合土木工程测量、结构状态监测等方面的较为理想的光纤传感器。     

用于结构健康监测的智能夹层研究进展

利用改进的柔性印刷电路技术,把一个分布式传感器/驱动器网络预先复合到一片绝缘载体膜上形成薄层,再结合相应的信号控制和处理软件,这就是当前先进的智能夹层(SMARTLayer)技术。结构健康监测(SHM)系统中智能夹层的提出及发展,将有可能把目前广泛采用的离线、静态、被动的材料及结构的损伤检测,转变为在线、动态、实时的健康监测,从而导致工程结构及材料安全监测与性能改善思路产生质的飞跃,引起结构及材料设计思想的变革。在本文中,主要阐述了智能夹层的发展、特点、关键技术、部件、相关的数据处理和应用情况,以及对今后的发展提出了一些需要注意解决的问题。在研究中,我们发现嵌入到玻璃纤维复合材料中的智能夹层对工程材料基体的力学性能没有产生明显的影响,并且自身的电学性能也非常稳定。     

A method of online damage identification for structures based on ambient vibration

IntroductionStructuralhealthmonitoringofbridgesandarchitectureshasbeenhighlyinteresting .Whensomebridgesarebuilt,thehealthmonitoringsystemsareinstalled ,whicharemadeupofmanysensors,suchaswindloadingsensors,stresssensorsandaccelerationsensors.Thesesensorscollectagreatdealofinformation .Howtheinformationisusedtoestimatethedamageofbridgestructureandanalyzethedurabilityofbridgestructureisasignificantresearchproblem .Existenceofstructuraldamageswithinstructuresleadstothechangesuchasthevibrationres…     

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.     

建筑结构被动控制发展动态

本文对建筑结构被动控制发展过程和动态者综述,主要介绍了建筑结构被动控制中常用的金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、可调质量阻尼器、粘弹性阻尼器、可调流体阻尼顺和粘性液体阻尼器。     

基于低频动态信息和超声导波的复杂结构损伤的在线诊断技术

在近三十年来,基于各类测试数据对工程结构发展有效的结构损伤在线诊断技术取得了长足的进步,由于该领域的研究成果数量过于庞大,本论文将仅限于对利用结构动态数据进行在线损伤诊断的技术进行介绍和总结。文章主要涵盖了两方面的内容：首先介绍利用结构低频动态信号进行土木、航空航天等领域内的大型复杂结构的各类在线诊断技术,特别重点介绍利用结构低频振动数据信息进行损伤诊断的理论、方法与应用;其次介绍利用结构高频动态信号,进行结构在线损伤诊断与监测的技术,主要详细介绍近十多年来发展起来的超声导波技术及其应用。论文分析和介绍了各类技术的应用范围,及其在不同的情况下使用时的优缺点,并对该领域的未来方法与技术的发展趋势进行了展望。     

Recent progress on finite element model updating: From linearity to nonlinearity

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.     

有限元模型修正研究进展:从线性到非线性

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.      

智能结构中光纤智能夹层力学特性的实验研究

根据光纤自诊断系统模块化、集成化要求,制作出光纤智能夹层,它可以铺设于复合材料结构表面或埋入复合材料结构内部。对智能夹层试件的轴向拉伸试验和层间拉伸试验表明,光纤智能夹层的埋入对复合材料结构的强度性能无显著影响,可以埋入复合材料结构内部并实施健康监测。试验还表明,在一定应变范围内,单膜交错光纤中光强—应变之间具有良好的线性关系,可以在埋入复合材料之前进行标定。