呼吸裂缝梁基于奇异谱熵的损伤识别方法研究

针对呼吸裂缝梁刚度随裂缝开合成双线性变化的特点,提出了利用结构响应的奇异谱熵识别裂缝的出现、位置、损伤程度的方法。结果表明:将裂缝梁在脉冲激励下的位移响应进行相空间重构,计算其奇异值并得到奇异谱熵,由任一节点熵值相对于无损伤梁的变化可判断梁是否出现损伤;根据梁各节点熵值的最大值可判断裂缝的位置;随着裂缝深度的增大熵值增大,从而判断裂缝开展的程度;重构相空间维数取为信号主要频率数量的2倍,避免噪声引起的误差;验证了激励力的位置和大小不影响奇异谱熵的大小。该方法只需要结构的振动响应,不需要利用结构模型,避免了损伤识别中的模型误差;损伤敏感性高,对环境噪声不敏感。     

基于频率二阶摄动的结构损伤识别方法

结构损伤的定位和定量是结构健康监测的关键技术之一。本文将矩阵摄动理论、结构振动理论和有限元理论相结合推导出结构固有频率变化的二阶摄动公式,由此公式可以反演结构的损伤位置与损伤程度。该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就能识别出结构的损伤位置和损伤程度,而且还可以识别出结构的老化程度。通过数值仿真算例证明了该方法的有效性和实用性。该方法可用于大型结构的损伤识别和健康监测。     

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。     

组合神经网络在结构损伤检测中的应用

子结构的动态响应变化与整体结构相比,对结构内部损伤反应更为敏感。组合神经网络可以克服单个神经网络功能的单一局限性,实现更加全面综合的仿真识别功能。本文首先运用双协调自由界面模态综合法对结构进行模态分析,获取各子结构及整体结构的模态信息。然后,通过组合BP神经网络将损伤子结构与整体结构的模态频率变化率组合起来进行结构损伤检测。该方法在改善网络训练性能的同时,提高了检测结果的准确性和可靠性。文章最后通过数值算例验证了该方法的可行性和有效性。     

基于节点独立变量的连续体结构动态拓扑优化

提出基于节点独立变量的连续体结构动态拓扑优化方法.以动态结构响应量最小或最大为目标,体积比为约束,建立了动态结构拓扑优化模型.基于数字图像处理过滤技术得到清晰、边界光滑和体现网格无关性的优化结果.通过二维结构数值算例对理论方法进行验证.结果表明,该方法在连续体结构动态拓扑优化设计中具有可行性和有效性.     

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。     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测。首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化。本文以某飞机舱门单锁机构中的螺旋压缩弹簧为试验对象进行了不同温度条件下的应力松弛试验,得到其松弛动力学曲线,并基于Arrhenius模型建立了弹簧在工况下的应力松弛服役寿命预测模型;其次,基于应力松弛和蠕变在本质上的一致性,结合金属材料蠕变规律并根据试验弹簧的受力特点,推导出用于描述试验材料松弛行为的蠕变本构方程,由试验结果获得该本构方程的材料常数;最后,通过该本构方程及材料常数,在ANSYS软件中对试验弹簧的松弛过程进行模拟,结果表明,模拟结果与试验结果误差不大于4%。因此,通过本文方法所建立的蠕变方程对弹簧在不同载荷条件下的应力松弛规律进行仿真分析具有一定的可行性与准确性。     

水下冲击波载荷作用下气背固支圆板动态毁伤实验

为了研究水下近爆载荷作用下舰艇水下结构的动态变形及失效毁伤模式,利用水下爆炸冲击波等效加载装置结合高速摄影技术,对两种厚度的气背固支5A06铝合金圆板进行了水下冲击波加载实验。得到了气背固支圆板塑性大变形、中心拉伸撕裂和边界剪切破坏3种典型失效模式的动态响应历程。比较分析了冲击波强度、冲击因子、损伤参数和响应参数4种毁伤判据对该类靶板毁伤模式的判别能力。实验结果表明:考虑了结构因素的损伤参数和响应参数能够更为全面的判别结构的失效毁伤情况。     

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。     

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。     

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.     

环境激励下Benchmark结构损伤识别的试验研究

针对结构健康监测中如何利用在线监测数据进行健康诊断的问题,基于时间序列分析提出了一种新的损伤识别方法.首先,获得结构健康状态的监测数据作为参考状态样本,对各数据样本建立ARMA模型并计算模型残差的方差.然后,将未知状态的监测数据作为待检状态样本,代入已建立的参考状态ARMA模型计算新的残差方差.计算发现,损伤前后两状态模型残差方差存在差异.因而,提出以残差方差之比作为损伤敏感特征,并建立基于F分布的假设检验来辨识结构的状态并预警损伤.最后,以Benchmark结构在环境激励下的试验为例,运用本文方法进行了损伤识别研究.结果表明,基于ARMA模型残差方差的损伤敏感特征可准确地区别结构的健康状态和损伤状态,具备结构在线实时损伤识别的应用价值.     

基于振动响应和HHT技术的机翼盒段结构损伤检测方法研究

提出一种利用结构振动响应和HILBERT-HUANG变换(HHT)技术检测结构小损伤的时域方法,研究了基于HHT的悬臂机翼盒段结构的损伤特征量的提取方法,给出了所提取特征量与结构损伤程度之间的关系。用HHT技术处理完好盒段与损伤盒段在信号激励下的结构动力响应信号,得到信号的希尔波特谱;然后求出希尔波特谱对应的瞬时能量,从中提取出结构损伤信息—瞬时能量变化量,作为损伤特征参数;并研究了将之作为损伤特征参数的抗噪声干扰能力。最后给出了瞬时能量变化量最大值与结构损伤程度之间的关系。     

Structural health monitoring and damage detection using an intelligent parameter varying (IPV) technique

Most structural health monitoring and damage detection strategies utilize dynamic response information to identify the existence, location, and magnitude of damage. Traditional model-based techniques seek to identify parametric changes in a linear dynamic model, while non-model-based techniques focus on changes in the temporal and frequency characteristics of the system response. Because restoring forces in base-excited structures can exhibit highly non-linear characteristics, non-linear model-based approaches may be better suited for reliable health monitoring and damage detection. This paper presents the application of a novel intelligent parameter varying (IPV) modeling and system identification technique, developed by the authors, to detect damage in base-excited structures. This IPV technique overcomes specific limitations of traditional model-based and non-model-based approaches, as demonstrated through comparative simulations with wavelet analysis methods. These simulations confirm the effectiveness of the IPV technique, and show that performance is not compromised by the introduction of realistic structural non-linearities and ground excitation characteristics.     

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

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

Fourier and wavelet analyses for fatigue assessment of concrete beams

We investigate damage detection in a simply-supported pre-stressed beam. A crack was propagated by fatigue loads, which were applied up to two million cycles. Both fast Fourier transform (FFT) and continuous wavelet transform (CWT) are used in the analysis of the structural response to impulse loads. The acceleration response of the full-scale beam was measured each time a certain number of cycles of fatigue loads were applied. The results of this study show that both methods can clearly identify the crack growth induced by fatigue loads. The natural frequencies found by FFT are sensitive to the crack progression. The results from the CWT analysis show a clear difference in structural responses between the initial and damaged states of the structure. The response accelerations are de-noised by a soft-thresholding method before they are analyzed by CWT. In addition to the frequency components, the CWT shows the moment in time when particular frequencies occur. Therefore, wavelet analysis has the potential of becoming an effective tool for damage detection and health monitoring of structures for which the natural frequencies are irregularly changing. As the crack grows, the magnitude of ridges obtained by CWT analysis decreases significantly, which indicates the reduction in structural stiffness.     

有损伤连续梁的瞬态响应

出于局部控制和健康安全监测的需要,为检测结构的损伤提供可能性,应用回传射线矩阵法,对方波脉冲作用下的有损伤连续梁进行损伤检测研究。连续梁结构的局部损伤用减小单元的杨氏模量来模拟。结果表明,当方波脉冲斜向作用时,通过结构上接收点处轴向速度波能准确判断损伤存在,确定损伤区域,估测损伤程度。     

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。     

特征值摄动法在利用动响应结构小损伤检测中的应用

目前在使用遗传算法或神经网络方法进行结构动力学损伤检测,需要基于少量的在线测量损伤结构数据和大量的数值仿真数据来实现,其中通过有限元方法来获得仿真数据的巨大计算量是动力学结构损伤检测方法发展中所面临的一个重要问题。本文在建模方面应用近年来提出的调整单元刚度模拟损伤的先进方法,以保证在损伤前后结构自由度数目不变;在此基础上应用特征值摄动法来减少损伤检测中计算量,并通过对复合材料层合板响应信号的小波分析验证了使用一阶矩阵摄动在有效降低计算量的同时,可以获得对损伤检测而言足够准确的响应信号。