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.     

基于简化模型的超高层结构传感器优化布置

对于自由度较多的超高层结构,传感器优化布置时应考虑多阶模态振型.由于存在空间耦合振动,根据振型质量参与系数难以准确选择出结构弱轴方向的高阶振型.基于等效刚度参数识别法,本文提出了一种将有限元模型沿弱轴方向先简化为等效串联多自由度体系,然后根据简化结构的物理参数来计算弱轴方向振型矩阵的方法,有效地解决了这一问题.以某超高层结构为例,根据计算得到的系统振型矩阵,首先由其转置的列主元QR分解得到传感器的初始布置方案,然后以模态置信度(MAC)矩阵的最大非对角元为目标函数,采用逐步累积算法逐步增加可降低此初始布置MAC非对角元的结构自由度,并考虑经济性因素,最终确定出了传感器的布置方案.     

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.      

复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价

提出了根据动力特性试验识别结构的模态参数,运用优化算法修改动力有限元模型,进而评价复杂承载钢结构练合性能的方法.针对复杂承载钢结构的结构特点和激振形式,推导了模态参数识别公式;介绍了有限元模型动力修正的一阶搜索优化算法.利用近似平稳随机激励,对井架钢结构进行了现场模态试验,识别出前三阶固有频率和前二阶振型,分析了该结构的实际运行状况.仅依据前二阶固有频率,应用一阶搜索的优化算法,对动力有限元模型进行了修正,重分析表明:该修正模型实现了前三阶固有频率和应力特征的精确反演,能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价.     

结构健康监测中的传感器布置方法及评价准则

综述了结构健康监测中常用的传感器布置方法及其评价准则研究的最新进展. 重点分析了几种常用 传感器布置方法间数学本质上的内在联系, 尤其是讨论了有效独立法与模态动能法之间的关系、有效独立法 与QR 分解法和MinMAC 法的区别与联系. 通过一个梯形结构对比了各种传感器的布置方法所给出的传感 器位置组合. 讨论了目前常用的5 种传感器布置方法评价准则, 并阐明其中两个准则与作者所提出准则间的关系.      

空间结构耦合模态控制及实验研究

智能结构以主动元件为传感器和驱动器,根据结构的动态响应和控制要求,自适应地改变结构的动态性能,实现结构特性的自调节功能,以增强结构适应于外界环境变化的能力.结构振动主动控制方法中常用的模态空间控制方法,就是将系统方程转化到模态坐标下,从而得到内部解耦的以模态坐标表示的方程组,然后根据一定的控制方法,计算出模态控制力,实现实时控制.该方法计算简单,效率高,能满足实时控制的需要.本文根据一个三层智能结构主动控制实验,介绍了耦合模态控制理论及实现方法,设计并阐述了压电主元杆件的工作原理,根据Riccati方程得到了主元杆件的最优布置.通过对实验数据运用五点滑动平均平滑法进行处理分析及频谱分析可以看到,智能结构通过主动控制,对相应的控制模态位移及加速度有很大的抑制作用,对应的模态阻尼系数得到了不同程度的提高.     

钢绞线中激励纵向模态的磁致伸缩型激励及接收器的选型

为在钢绞线中有效激励和接收纵向模态超声导波,对磁致伸缩型传感器的敏感元件螺线管的结构进行了优化,并进行了试验验证.首先,对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励及接收纵向模态超声导波的方法进行了分析,选用频率160kHz的L(0,1)纵向模态作为用于公称直径17.8mm的7芯钢绞线检测的导波.设计制作了激励该模态专用磁致伸缩型传感器.经过对结构和绕向不同的螺线管进行比较后,选取3段式螺线管作为磁致伸缩型传感器的敏感元件.为证实其检测能力,利用该传感器对钢绞线外围钢丝上的人工缺陷进行了检测,通过得到的实验信号可以很好确定缺陷位置.本文的研究为今后进一步检测钢绞线的健康状况奠定了基础.     

基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构不确定模型更新

由于螺栓结构中存在复杂的微观特征,数值模型中无法避免的会引入不确定性。针对螺栓设计中参数不确定性量化问题,一种基于高精度模态综合法的螺栓连接组合结构随机模型更新方法被提出。首先考虑高阶剩余模态的影响,推导了适用于螺栓组合结构弹性交界面的高精度模态综合法;之后,在贝叶斯推理框架下,通过组合结构的自振频率和振型的概率分布,建立螺栓连接参数的后验概率密度函数,并借助DRAM(delayed rejection adaptive metropolis)抽样方法量化参数的不确定性。数值算例表明,针对各子结构之间自振频率差别较大的结构,与模态综合法相比,本研究方法在较少子结构模态参与的情形下,也可以保证良好的模型更新结果。     

连续体结构动力拓扑优化中局部模态处理的新方法

采用固体各向同性材料惩罚模型（solid isotropic material with penalization, SIMP） 进行动力拓朴优化通常在优化过程中会出现虚假的局部振动模态,为消除这种虚假模态产生的不利影响,提出了移频与虚假模态识别相结合的通用方法. 研究中考虑以材料体积为约束、结构基频最大化为目标的优化模型,并采用节点设计变量描述设计域内材料分布. 基于虚假模态的特性,首先在特征值分析中应用移频方法排除特征值接近于零的低阶虚假模态,然后再依据虚假模态识别准则判定并剔除其他可能存在的虚假模态,从而可以高效可靠地确定结构真实的固有振动模态. 数值算例表明,提出的方法可以有效地消除动力拓扑优化中虚假模态可能产生的不利影响,并保证优化解的可靠性.      

基于复模态的控制力矩陀螺配置优化

由于陀螺耦合效应,系统动力学方程的特征值和特征向量皆为复数形式,不便于进行控制力矩陀螺的配置优化和控制律设计。本文基于复模态理论,构造出一种实数域上的伪模态矩阵,从而实现方程解耦。综合考虑结构模态、控制输入能量和传感器接收能量的复合优化准则,获得了控制力矩陀螺的最优配置。结果表明,采用线性二次型最优控制,能够快速将结构的响应振幅降至5%以内,验证了使用伪模态矩阵进行方程解耦的可行性及控制的有效性。     

振动控制作动器的数目和位置优化设计

提出一种确定作动器的数目和优化设计作动器位置的方法。以独立模态最优控制方法为基础,将模态控制力和作动器作动力处理为随机变量,建立了模态控制力能量的自相关矩阵和作动器作动力能量的自相关矩阵。进一步通过作动力能量的自相关阵包含的能量确定了作动器的数目,在此基础上,建立了基于控制系统作动力消耗能量最小,优化设计控制系统的作动器最优位置。通过数值算例证明了该方法的有效性。     

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.      

结构动力模型修正方法的比较研究及评估

在实际工程中,由结构动力模型得到的计算值与通过试验获得的测量值间往往存在偏差,为了能够精确预测结构的动力响应,依据测量信息修正存在的动力模型是非常必要的.对现有几种有效的用于结构动力模型修正的理论方法(包括基于敏感性分析的矩阵型法、基于神经网络算法的参数型法和基于遗传优化算法的方法)做了详细的综述;介绍了这些方法的步骤和研究进展;并分析了这些动力模型修正方法在工程运用中存在的一些实际问题,如不完整的模态测量值、模型修正的鲁棒性、模型修正的计算效率和收敛性等.最后,通过对一实际的五层钢框架的动力模型修正,比较了这几种方法的优缺点,提出了今后需要解决的问题.      

基于径向基函数的频响函数模型修正

针对使用频响函数进行有限元模型修正存在的时间成本和精度问题,结合模态参与变异系数法和模态动能法分别优化激励点和测点,使获得的模态信息更完整;然后,引入径向基函数(RBF)模型减少原有限元模型计算次数,并根据均方根误差准则对所构建代理模型的参数(spread)进行优选,提高模型预测精度;最后,选用一个36自由度的二维桁架模型进行可行性验证,对比有限元法、Kriging模型及二阶响应面模型的修正精度和迭代时间,结果表明,本文方法具有较好的优势。     

Hybrid determination of equivalent characteristics of perforated plates

In this paper, we have adopted the hybrid method, which combines experimental and numerical methods, to investigate the dynamic behavior of perforated plates. It was found that the modal assurance criterion is a useful criterion to judge the degree of similarity between experimental and numerical models. The difference between the experimental and numerical models can be reduced via sensitivity testing and by checking the correlation coefficient. The equivalent material properties of the perforated plates were also obtained by the hybrid method. In addition, the curve-fitting technique was utilized to find the relationship of the mass remnant ratio with the parameter ratio. The functions obtained from the curve fitting can be used to predict accurately the equivalent material properties and resonant frequencies of perforated plates of the diagonal array.     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.