基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点,提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度,实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量,它首先利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想,由实测结构的激励和加速度响应,构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应;然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系,确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率;最后分别在每个子结构上附加虚拟质量,联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。     

基于重构相空间的结构损伤识别方法

介绍了混沌理论中相空间重构技术,应用到结构损伤检测与健康监测中.以单自由度弹簧振子为例分析了基于相空间拓扑结构变化的损伤检测方法的可行性,结果表明,当弹簧的刚度降低,相空间拓扑结构发生明显变化,表明该检测方法是可行的.利用相空间重构技术,直接将结构动态响应以相空间的形式展开,根据损伤前后相空间拓扑结构的变化,提出了新的损伤因子.为了验证该方法的可行性与可靠性,进行了圆拱结构动态实验并进行损伤识别.实验结果表明,该方法能够成功地识别出圆拱结构的损伤位置及损伤程度,且灵敏度较之常用的动力指纹方法有了很大的提高.该方法只需单个测点就能计算出该点损伤因子的值,可作为结构整体参量来监测结构是否存在损伤以及结构健康状况.     

基于组合荷载响应特征融合的桥梁结构智能损伤识别方法

桥梁在运营过程中面临着组合荷载的复杂环境，因此发展组合荷载下的损伤识别方法具有重要意义。本文提出了一种基于组合荷载响应特征融合的桥梁结构智能损伤识别方法，基于移动主成分分析对自重静载、温度准静态荷载、动态荷载下的结构响应数据分别进行特征挖掘，并将不同荷载下第一特征向量的组合作为机器学习模型的输入，建立结构的损伤识别方法。最后，以双跨连续梁的仿真模型进行了验证，研究结果表明，即使在大噪声水平下，以组合荷载特征向量进行损伤定位和定量的准确率分别可达91.65%和97.22%,比传统的单荷载下的准确率最高分别提升了32.40%和18.00%,表现出优异的损伤检测性能和抗噪性。     

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。     

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.     

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.     

结构损伤的非概率区间识别方法

基于结构时域加速度响应,利用区间分析方法对具有外界激励和测量数据不确定性的结构系统进行损伤识别.不确定性量被处理为有界区间数,基于参考有限元模型和被测加速度响应,经过提出的两步模型参数的区间修正方法分别得到了未损伤和损伤结构区间模型,进而通过定义的PoDE(Possibility of Damage Existence)确定了结构各单元的损伤可能性.最后以十杆平面桁架系统为例,对区间方法与概率方法的损伤识别结果进行对比,讨论了损伤程度和不确定度对识别结果的影响,结果表明了本文方法的可行性与有效性.     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

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.      

球壳轴对称弯曲问题共轭二阶挠度微分方程

提出球壳轴对称弯曲问题共轭二阶挠度微分方程并给出了初等函数解. 球壳微分方程是薄壳理论三大壳之一旋转壳的典型方程. 共轭二阶挠度微分方程是球 壳中微分方程形式最简单的, 是人们最喜爱的挠度微分方程. 挠度微分方程满足边 界条件非常简单, 使球壳的计算得到很大的简化.     

结构损伤诊断的改进灵敏度方法

提出一种改进的灵敏度方法用于工程结构损伤检测中.通过在迭代算法中引入一个“加速”公式来迅速获得足够精确的识别结果,避免了多次迭代,可以大大减少计算花费.用文献[8]和文献[10]中的两个数值算例对所提方法进行了验证,并把结果和原文中的计算结果进行比较.结果表明:采用改进的方法一般只需经过一次计算即可获得精度更高的识别结果,避免了多次迭代,显著减少了计算花费,显示了改进方法突出的优越性.     

基于振动响应的杆结构损伤检测

从杆的纵向振动方程出发,建立了其相应的有限元动力学方程,利用直接积分法计算了杆在外激励下的振动响应.将杆的局部损伤模拟为单元抗拉刚度的减少,推导了响应对单元抗拉刚度的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行杆的局部损伤识别.数值算例表明,该文方法能快速准确地识别出杆的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感,说明本文方法具有一定的工程应用前景.     

敲击扫描式梁式结构损伤检测方法

受到啄木鸟敲击树干找虫子等敲击现象的启发,论文针对梁式结构提出了一种敲击扫描式损伤检测方法.基于对敲击扫描过程的理论探讨,我们得到了该方法的灵敏度表达式,从而为该方法找到了可靠的理论基础.数值模拟和简单实验表明,该方法不但简单易行,而且在有干扰的环境下也可以有效地检测出结构的损伤.     

圆锥壳轴对称弯曲问题精确的四阶挠度微分方程和贝塞尔函数解

本文提出了轴对称圆锥壳精确的四阶挠度微分方程。和现行薄壳理论中常用的四阶剪力Q_1微分方程相比,挠度微分方程与其精度相同,阶数相同,而且满足边界条件简单,使圆锥壳的计算得到很大的简化。     

复合结构壳体蠕变变形有限元研究

基于蠕变理论，采用有限元数值计算方法，用ANSYS作为计算平台，建立了壳体结构的蠕变变形计算模型．对由耐火材料是镁碳砖炉衬和炉壳组成的复合结构转炉，由于高导热率的镁碳砖广泛使用，引起转炉炉壳的温度升高，导致转炉不同程度地出现了炉壳蠕变变形，致使炉壳使用寿命缩短．研究转炉炉壳蠕变变形的状态及分布规律，可为控制炉壳蠕变变形、延长炉壳使用寿命提供依据．运用所述的有限元计算模型，对复合结构的转炉炉壳的蠕变变形行为进行模拟，模拟结果与现场测量值基本吻合．     

SOME PROBLEMS FOR DYNAMIC COMPUTATION OF CLOSED CYLINDRICAL SHELL DUE TO AXIAL IMPACT LOAD

The present paper treats some of the problems for dynamic computation of closed cylindrical shell due to an axial impact load, including the calculations of the dynamic stresses and the problems of stability. It analyses the changes of the momentums and the energy in the impact process, takes into account the effect of the mass of the striking object and the system of the closed cylindrical shell to be struck, turns the distributed mass of the total cylindrical shell into an "equivalent mass" being concentrated on only at one end of the shell by using the way of reduced mass, and accordingly derives the dynamic factor of the closed cylindrical shell under the axial impact load, hence resolves the questions of calculation of the dynamic stresses in the loaded case mentioned above and found out the critical loading.     

DAMAGE DETECTION STRATEGY FOR RETICULATED STRUCTURES BASED ON INCOMPLETE STRAIN MODE

Damage detection based on strain responses of vibration is highly attractive for monitoring long-span reticulated structures.However,there are a lot of structure members in reticulated structures and it is impossible to install strain sensors in each member.Therefore,how to locate and quantify damages with the incomplete mode shapes obtained from few strain sensors is a challenge topic.A new strategy,named incomplete strain mode damage detection(ISMDD) strategy,is proposed in this paper.In the strategy,the distribution of the strain sensors in the reticulated structures can be optimized through sensitive analysis on strain mode perturbation matrix,which can be obtained by perturbation theory.Mode assurance criterion(MAC) value is applied in damage location,and the members with relative large MAC values are defined as damage members.In addition,damage index obtained by solving the perturbation equation is used for damage quantification.Numerical analysis on a long-span reticulated structure,including damage location and quantification for single-and multi-member damages,detection for different damage quantity,the effect analysis of sensor quantity,are performed to verify the effectiveness of the proposed ISMDD strategy.It can be shown from the analysis that the ISMDD strategy is effective in damage location and quantification for both single-and multi-member damages.And the quantity of strain sensors has effect on damage location,but has no obvious influence on damage quantification.Additionally,the anti-noise pollution ability analysis of the ISMDD strategy is carried out,which shows that the ISMDD strategy has excellent anti-noise pollution ability for both single-and multi-damaged members.     

饱和和非饱和介质的弹塑性损伤模型

针对饱和和非饱和工程材料变形和强度特点,给出了一个具体的弹塑性损伤本构方程,该本构方程可以描述材料性质的劣化过程（即损伤和软化）以及饱和程度对材料变形强度特性的影响。此外,还讨论了该弹塑性损伤本构方程的有限元实施方法,编制了专用的有限元程序。对常规三轴试伯进行了有限元分析,得出了一些具体的结果。