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。     

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.     

基于模态参数灵敏度的损伤方程组求解正则化方法研究

基于模态参数的结构损伤识别方法是振动损伤识别领域中应用最为广泛的方法.利用模态参数灵敏度构建结构损伤方程组,对其进行求解可以识别结构损伤位置和程度.由于实际工程中模态参数不完备性和噪声的影响,结构损伤方程易出现病态问题,直接求解可能产生错误的结果.为了解决这一问题,可以引入正则化方法进行求解.然而,各类正则化方法的基本...     

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。     

基于提高频率灵敏度的结构损伤统计识别方法

提出了一种基于反馈控制结构动力特性的损伤统计识别方法。该方法采用基于独立模态空间的反馈控制,有目的地配置闭环系统的极点,根据损伤前后闭环系统的特征值构造损伤指标。采用假设检验判断损伤是否发生,并剔除特征量中损伤程度的影响,采用统计模式识别方法识别损伤位置。Benchmark结构的数值算例表明,本文提出的损伤识别方法能够较显著地提高模态频率对刚度变化的灵敏度,准确有效地检测在噪声环境下结构小损伤是否发生以及识别损伤位置。     

基于支持向量机的结构损伤分步识别研究

支持向量机是一种基于统计学习理论的机器学习算法,能够较好地解决小样本的学习问题。本文介绍了支持向量机分类和回归算法,提出了基于支持向量机的结构损伤分步识别方法:以模态频率作为损伤特征,首先根据支持向量机分类算法的概率估计确定可能的损伤位置,重新构造训练样本,然后利用支持向量机回归算法计算损伤位置;最后估计损伤程度。以梁的损伤识别为例进行了验证,结果表明该方法可以提高损伤识别的精度。     

基于模态数据的长细结构小损伤精确识别研究

本文针对现有的损伤识别方法不能满足部分结构损伤识别精度要求的现状，对结构的小损伤精确识别方法开展研究．以长细结构为研究对象，对具有不同损伤位置和损伤程度的圆柱形的轻阻尼梁结构进行了数值分析和实验研究，应用数值计算方法和实验确定的特征向量和特征频率对长细结构裂缝参数进行识别计算．本文在研究过程中编制了一个创新性的预测程序，通过其一次性生成目标函数图来选择合适的初始参数，从而对识别结果进行分析．研究结果表明，应用本文提出的识别方法，裂缝位置的识别误差可以控制在0.05 %~0.28 %范围内，裂缝深度识别误差低于7 %．     

一种不完备测试数据下的结构损伤识别方法

在单元刚度损伤系数和振型扩阶的基础上,建立了单元的损伤控制方程,提出了一种不完备测试自由度下的损伤识别方法。该方法以单元刚度损伤系数作为识别量,通过计算结构损伤前后频率和振型的改变,然后利用控制方程反解出损伤系数,从而确定出结构损伤位置和大小。悬臂梁桁架结构的数值模拟表明,在一定的噪声水平下可以同时成功地识别出的损伤位置和程度,而且对噪声有较强的鲁棒性。     

A two stage method for structural damage detection using a modal strain energy based index and particle swarm optimization

A two-stage method is proposed here to properly identify the site and extent of multiple damage cases in structural systems. In the first stage, a modal strain energy based index (MSEBI) is presented to precisely locate the eventual damage of a structure. The modal strain energy is calculated using the modal analysis information extracted from a finite element modeling. In the second stage, the extent of actual damage is determined via a particle swarm optimization (PSO) using the first stage results. Two illustrative test examples are considered to assess the performance of the proposed method. Numerical results indicate that the combination of MSEBI and PSO can provide a reliable tool to accurately identify the multiple structural damage.     

基于改进云推理算法的塔架结构损伤识别

为了解决塔架结构的损伤识别问题,提出了基于应变能和改进云推理算法的损伤识别方法。首先描述了云模型的基本理论和数字特征,并给出了模态应变能的基本公式;然后分析了X条件云发生器和Y条件云发生器的基本算法和运行步骤,借助灰云模型建立相应的前件云和后件云规则,考虑了测量噪声的影响,利用云发生器生成多组云滴,并利用多模式下云滴的确定度和生成值构建了基本云推理算法及其损伤识别指标。基本云推理算法中常会产生不均匀发散的云滴,从而使计算结果产生一定的偏差,为了降低云滴发散产生的偏差影响,提出了基于损伤模式数量加权的云推理改进策略。计算结果表明:云推理算法可以较好地应用于塔架结构的损伤识别,其识别结果明显优于传统的应变能耗散率指标方法;而改进云推理算法进一步提高了识别的精度,优于基本云推理算法。     

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．     

Wavelet packet based damage identification of beam structures

Most of vibration-based damage detection methods require the modal properties that are obtained from measured signals through the system identification techniques. However, the modal properties such as natural frequencies and mode shapes are not such a good sensitive indication of structural damage. The wavelet packet transform (WPT) is a mathematical tool that has a special advantage over the traditional Fourier transform in analyzing non-stationary signals. It adopts redundant basis functions and hence can provide an arbitrary time-frequency resolution. In this study, a damage detection index called wavelet packet energy rate index (WPERI), is proposed for the damage detection of beam structures. The measured dynamic signals are decomposed into the wavelet packet components and the wavelet energy rate index is computed to indicate the structural damage. The proposed damage identification method is firstly illustrated with a simulated simply supported beam and the identified damage is satisfactory with assumed damage. Afterward, the method is applied to the tested steel beams with three damage scenarios in the laboratory. Despite the noise is present for real measurement data, the identified damage pattern is comparable with the tests. Both simulated and experimental studies demonstrated that the WPT-based energy rate index is a good candidate index that is sensitive to structural local damage.     

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。     

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.     

灰色系统模型在结构损伤识别中的应用

开发结构健康监测系统是结构损伤识别的一个重要课题。由于建筑结构具有很多不确定因素，通过模态分析识别结构损伤的精度很难保证。本文提出一种灰色系统模型应用于结构损伤识别的方法。建立频率变化率和刚度变化的灰色系统模型，把一阶单变量的灰色模型(M(1，1))作为频率变化率和刚度变化之间的系统，通过一阶单变量的灰色模型(M(1，1))预测来体现结构动力指纹的整体功能，确定频率变化率和刚度变化之间的关系变量。为了验证理论，对多种工况进行了框架结构模型的振动试验并对结果进行了分析。试验结果表明：对于层间剪切结构，通过测量结构频率变化，建立的灰色系统模型可以较准确地确定结构的损伤位置和损伤程度，并使识别精度得到有效提高。     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.