基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重, 在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先, 在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域; 最后,在利用智能算法进行反演的过程中, 先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演. 若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置. 为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果, 证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.      

基于频率和模态保证准则的结构内部多缺陷反演

静响应(位移、应变等)在实际问题的反演分析中很难由安装在结构上的一组传感器记录得到,而结构的动力特性(频率、振型)和动力响应(加速度、速度、动位移)在实际问题中较易通过传感器采集得到.文中基于频率残差和模态保证准则构建了反演分析模型的目标函数,并结合频域内动力扩展有限元法和人工蜂群智能优化算法的优点,扩展有限元法通过引入非连续位移模式在不重新划分网格的情况下通过改变水平集函数反映缺陷的数量、位置及大小,避免了反演分析每次迭代过程中的网格重剖分,人工蜂群智能优化算法在每次迭代中都采用全局和局部搜索,找到最优解的概率大幅增大并可很好地避免局部最优,同时,通过引入拓扑变量,将缺陷的数量纳入到反演分析过程中,迭代过程中可智能反演出缺陷的数目,建立了结构内部多缺陷(孔洞、裂纹)的反演分析模型.通过若干算例的分析表明:建立的反演分析模型能够较为准确地探测出结构内部圆形、椭圆形以及裂纹状缺陷的数量、位置及大小,且算法具有较好的鲁棒性.     

基于频率和模态保证准则的结构内部多缺陷反演

静响应(位移、应变等)在实际问题的反演分析中很难由安装在结构上的一组传感器记录得到,而结构的动力特性(频率、振型)和 动力响应(加速度、速度、动位移)在实际问题中较易通过传感器采集得到. 文中基于频率残差和模态保证准则构建了反演分析模型的目标函数,并结合频域内动力扩展有限元法和人工蜂群智能优化算法 的优点,扩展有限元法通过引入非连续位移模式在不重新划分网格的情况下通过改变水平集函数反映缺陷的数量、位置及大小, 避免了反演分析每次迭代过程中的网格重剖分,人工蜂群智能优化算法在每次迭代中都采用全局和局部搜索,找到最优解的概 率大幅增大并可很好地避免局部最优,同时,通过引入拓扑变量,将缺陷的数量纳入到反演分析过程中,迭代过程中可智能反演出缺陷的数目,建立了结构内部多缺陷(孔洞、裂纹)的反演分析模型. 通过若干算例的分析表明:建立的反演分析模型能够较为准确地探测出结构内部圆形、椭圆形以及裂纹状缺陷的数量、位置及大小,且算法具有较好的鲁棒性.      

扩展有限元与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷(夹杂)的位置和大小,遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力,通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷(夹杂)和多个缺陷(夹杂)的结构进行了反演分析,并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明,建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷(夹杂).     

THE INVERSE ANALYSIS OF INTERNAL DEFECTS (INCLUSIONS) IN STRUCTURES USING A COMBINED XFEM AND GA METHOD

建立扩展有限元法与遗传算法相结合的结构缺陷反演分析模型.扩展有限元法通过引入不连续位移模式使得网格剖分无需依赖结构内部的不连续界面.通过改变水平集函数表征结构缺陷（夹杂）的位置和大小，遗传算法在每次迭代过程中具有全局和局部搜索能力，通过评估响应测点的响应量适应度值决定是否进一步迭代.对带有单个圆形缺陷（夹杂）和多个缺陷（夹杂）的结构进行了反演分析，并就响应测点的布置进行了讨论.结果表明，建立的反演分析模型能准确地探测结构存在的单个甚至多个缺陷（夹杂）.     

基于遗传算法的位移型与速度型阻尼器位置优化比较研究

提出了一种基于遗传算法的阻尼器位置优化的新型优化数学模型,考虑地震作用下不同的结构控制指标,首先假定优化模型的五种加权系数组合,在阻尼器数量一定的前提下,对不同形式的结构在四类场地条件地震动作用下分别进行位移型和速度型阻尼器位置优化。然后引入两个性能评价指标,对五种系数组合情况时两种类型阻尼器布置下的结构反应进行分析研究,使阻尼器布置方案能体现综合控制效果上的最优,得到不同情况下加权系数的最佳取值组合。通过数值分析,比较了不同类型阻尼器的位置优化特点,为工程实际应用中不同类型阻尼器的位置优化目标函数选取提供了有益的参考。     

多工况结构拓扑优化的灰色权重折衷规划模型法

针对多工况结构拓扑优化问题中的载荷病态现象,基于RAMP (Rational Approximation of Material Properties)拓扑优化模型,提出应用灰色理论确定工况权重系数,并将应变能目标函数归一化的折衷规划模型法．通过专家评价方法获得工况权重系数的灰色区间,结合灰色理论计算工况权重系数灰色区间的精确值,并采用导重法推导出多工况结构拓扑优化问题的求解迭代表达式．通过定义载荷比描述载荷病态的程度,对多工况结构拓扑优化典型算例在不同载荷比及不同工况权重系数下进行结构拓扑优化分析．优化结果表明,灰色权重折衷规划模型及求解方法对多工况结构拓扑优化问题具有高效、稳定的特点,能够克服载荷病态问题,并通过大跨度甲板强横梁的结构拓扑优化设计证明本文设计方法的有效性．     

改进的小损伤结构动力学有限元建模方法

在遗传算法或神经网络方法识别结构损伤位置和程度时,都是基于少量的在线测量的损伤结构振动响应数据和大量的模型仿真数据来实现的,因而建立高效和精确的损伤结构动力学有限元模型,以便仿真获得损伤结构的大量动力学响应数据是十分重要的基础前提工作。本文针对ANSYS结构分析软件在建立结构小损伤有限元动力学模型存在两个关键问题,结构损伤处直接网格划分的计算结果误差和网格节省问题,以结构损伤振动检测的实际需要为出发点,提出了建立含小损伤结构的ANSYS动力学建模技术,研究了结构局部小损伤及其位置与所在处单元刚度矩阵变化的数量关系。     

基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别

为了提高对桥梁结构损伤位置的识别精度及准确性,利用应变对结构局部损伤敏感的特性,提出了基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别新方法。在移动荷载作用下,对简支梁桥动态应变响应进行二进离散小波变换,将叠加在一起的多阶模态响应进行分离;根据差分法和统计参数,构建出低阶应变响应的变异系数双重曲率(Double Curvature of Variation Coefficient,DCVC)损伤指标。以简支梁桥作为研究对象,将所提方法通过有限元数值模拟和模型实验给予验证。研究结果表明:该方法成功摆脱了对健康结构响应数据的依赖,可以准确识别出简支梁桥不同位置不同程度的单处、多处损伤,且受移动荷载行驶速度的影响较小,在简支梁桥损伤识别研究中具有很好的识别效果。     

多宗量瞬态热传导反演识别

引入Bregman距离加权函数,建立了多宗量瞬态热传导反演的一种求解模式.时域上采用精细算法,分别建立了便于敏度分析的有限元正/反演模型,应用同伦算法进行反问题求解,对导热系数和边界条件等宗量进行有效的组合识别.对信息误差和计算效率作了探讨,并给出了相应的数值验证.     

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.      

涡激响应尾流双振子模型的参数反演方法

尾流双振子模型是研究圆柱结构涡激振动响应的重要模型,模型参数的准确确定对悬浮隧道设计理论具有重要意义.首先通过降阶法将多变量二阶非线性常微分方程组的尾流双振子模型变换为一阶方程组.然后给出一种新型的圆柱结构水槽试验设计方案,其中试验模型的刚度能够较好反映悬浮隧道等实际工程结构的刚度,基于相机动态捕捉和视频识别计算机程序,获取圆柱结构在水平和竖直方向的位移试验数据.基于试验结果和龙格-库塔方法求解一阶方程组,采用BP神经网络智能算法对模型参数进行反演,同时利用遗传算法对神经元的初始权值和阈值进行优化,所得结果平均误差仅为5.50％,优于遗传算法和未优化的BP神经网络模型.结果表明,基于遗传算法优化的BP神经网络智能算法能够精确实现尾流双振子模型的参数确定,为圆柱结构涡激振动响应分析提供理论基础.     

基于线性多点逼近的载荷识别方法

利用结构响应信息进行载荷识别是结构工程重要研究内容之一.本文提出了基于时空多点线性逼近的动载荷识别方法,利用特定的载荷基函数在空问和时间上多点线性组合逼近结构的未知荷载输入,实现结构载荷的参数化表达,使得载荷识别反问题归结为一个多点权重系数求解问题.所建立的识别方法不需要对结构模型预先进行模态分析,采用一个常系数矩阵对...     

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。     

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．     

基于小波变换的钢结构连廊损伤识别

以某实际钢结构连廊为背景,采用ANSYS软件建立连廊结构的三维有限元分析模型,通过现场环境振动测试验证了文中连廊结构模型的合理性.针对这一较复杂结构的损伤识别问题,文中基于小波变换理论,构建了一种“变异放大系数”.本文的数值计算算例表明,利用这种“变异放大系数”曲线的峰值可以更有效地判别损伤位置,而“变异放大系数”峰值的大小则可较方便地判别结构的损伤程度.同时,文中探讨了不同小波函数和尺度伸缩因子对连廊结构单处和两处损伤的识别效果的影响,给出了小波函数和尺度伸缩因子的取值建议.     

二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解

引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项，应用Tikhonov正则 化方法，对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数，将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散， 时域上采用时域精细算法进行离散，建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响，而且也便于正反演问题的敏度分析， 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证，对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明，该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解，并具有较高的计算精度.     

考虑扭转耦联效应的附属结构最优位置分析

实际建筑物大多为偏心结构,扭转耦联效应使同层楼板上不同位置处附属结构的动力响应也不相同,通常存在一个平面最优位置.本文建立了主附结构体系的扭转耦联模型,利用复模态理论和模式搜索方法研究了影响附属结构最优位置的几个重要因素,包括地震输入方向、场地类别、主体结构偏心、附属结构质量、频率及阻尼比等,通过数值分析得出了一些有益的结论.     

基于高阶矩的稳健优化设计研究

采用随机响应量的前四阶统计矩来度量目标函数和概率约束条件的稳健性, 通过引入“权重因子”来确定新构造的目标函数中原 函数和敏感系数的比重, 利用加权组合法将稳健优化设计这一多目标优化问题转化为单目标问题, 从而建立新的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型. 矩估计方法可高效地评估目标函数和概率约束条件的统计矩, 且不需要搜索技术, 因此不构成嵌套循环(即稳健优化过程是单循环的), 从而可以大大降低优化的计算工作量. 对多个桁架结构进行了确定性优化设计、可靠性优化设计、传统的和该文所提的稳健优化设计, 验证了所建立的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型的合理性和正确性, 比较并解释了计算所得的优化结果.     

基于小波包变换的梁式结构损伤定位方法

本文针对梁式结构,基于小波包变换理论,提出一种新的损伤定位方法。该方法利用小波包变换将结构的响应分解到不同的模态,引入曲率公式定义了新的小波能量指标,使得能量指标对损伤位置更加敏感。根据工程实际,构造了对应于结构区域的损伤指标。利用D-S证据理论对得到的各阶损伤指标进行数据融合,从而优化了识别结果。通过数值模拟和实验,对新提出的方法进行了验证,结果表明该方法有效,并可应用于工程实际。