基于频率摄动理论对结构健康检测BENCHMARK问题的识别

定义了结构有限元模型中的损伤识别参数,将结构振动特征值摄动和结构有限元理论相结合导出结了构损伤定位以及定量的一阶和二阶摄动识别公式,并给出了两种方程在不适定条件下的优化解法。把该方法用到ASCE结构健康监测工作组提出的Benchmark问题中,成功识别了设定的损伤模式,而且其受模型误差和测量噪声的影响较小。研究表明该方法可以用于大型结构的健康监测问题。     

基于位移响应协方差参数变化比和模式匹配的梁结构损伤识别方法研究

使用结构位移响应参数进行结构损伤识别,首先推导和建立了位移响应协方差参数的解析公式,它是结构频率、振型和阻尼等模态参数的函数。通过理论推导发现,在一定损伤程度范围内,位移响应协方差参数变化比值只与损伤位置有关,受损伤程度的影响较小。结合模式匹配法,使用模态置信准则得到各种可能损伤状态下的置信准则值,找出变化比向量最匹配(置信准则值最大时所对应的损伤状态),即为识别出来的损伤。本文对一个三跨连续梁进行数值模拟来验证该方法的有效性。通过算例发现:与损伤单元有关的位移响应协方差参数变化比值最大,相同损伤位置、不同损伤程度时,变化比向量之间具有大于0.99的置信准则值;而不同损伤位置、相同损伤程度的变化比向量之间的置信准则值则较低。最后进行了损伤工况研究,成功识别出了损伤位置,表明该方法是有效的。对于实际工程结构,可以通过位移响应(或加速度积分得到位移)协方差参数变化比值的连续监测来预警结构损伤的发生。本文提出的方法无需结构模型,计算简便,具有较好的工程应用性。     

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.     

基于固有频率向量的结构损伤检测方法

基于损伤前后结构固有频率的变化,引入了固有频率向量及固有频率向量置信准则的概念,提出了基于固有频率向量的结构损伤检测方法.首先建立完好结构的有限元模型,并模拟出结构的若干种损伤模式,分别求出完好结构与各损伤模式结构的固有频率向量,从而构建出结构损伤特征数据库,随后对具有某种未知损伤的结构,根据该结构的固有频率向量与损伤数据库中每一个固有频率向量之间的相关程度--固有频率向量置信准则,由最大置信准则来判定对应的损伤模式.应用该方法对一个八层剪切空间框架模型的损伤进行了仿真检测,对于无测量误差的情况,在任何一层的支柱损伤大于最低可检损伤的情况下,都能准确的检测出损伤的位置及程度;考虑了固有频率测量的随机误差之后,应用损伤检测概率进行评估,该方法也具有较高的损伤检测概率.     

基于应变能等效指标的结构损伤识别技术研究

为了解决结构的多损伤识别问题,提出了一种基于应变能等效指标的损伤识别方法.首先给出了损伤前后模态应变能变化的表达式以及能量耗散公式,然后根据结构的能量耗散与应变能的变化值等价的原理,建立了一个四阶等效方程,最后求出了该方程的四个根,并通过对该方程四个根的分析得到了一个应变能等效指标,通过该指标可以方便的求解损伤的位置和程度.数值仿真结果表明,基于应变能等效指标的损伤识别方法不仅可以精确的识别出损伤的位置和程度,而且其识别精度明显好于应变能耗散率方法.     

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。     

基于位移响应协方差参数的数值仿真和实测损伤识别研究

本文使用结构位移响应协方差参数进行结构损伤识别,首先推导和建立位移响应协方差参数的解析公式,它是结构频率、振型和阻尼等模态参数的函数,结构物理参数的改变会导致该协方差参数的改变;对一个七层框架结构进行数值模拟分析来演示该方法的有效性,通过比较结构不同状态下各单元位移响应协方差参数CoD的分布曲线,研究各单元CoD与损伤程度的关系曲线,发现损伤位置处的CoD改变最大,其次是对称和附近单元,通过单损伤和多损伤工况研究分析,表明基于结构损伤前后CoD的改变,能成功判定损伤发生和识别出损伤位置,最后把该方法应用于一个实验室简支钢梁的损伤识别,通过对锤击振动下的加速度响应进行二次积分得到位移响应,并比较钢梁损伤前后的CoD,得到损伤概率向量,成功识别出损伤位置。该方法具有较好的噪声鲁棒性,无需结构分析模型,计算简便,具有较好的工程应用性。     

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。     

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。     

基于L1正则化的随机梁式结构静力损伤识别方法

提出了一种结合摄动法和L1正则化方法的随机梁式结构静力损伤识别方法。考虑初始模型误差和测量误差的影响,建立了关于随机损伤指数的控制方程,并将摄动法和L1正则化方法相结合,对随机损伤指数的控制方程进行求解,进而从概率的角度对结构的损伤进行识别。损伤试验结果表明,和传统的最小二乘求解法相比,本文方法能够更为准确地识别多处局部损伤的位置及大小,对实际结构损伤检测具有较好的参考价值。     

基于柔度的桁架结构损伤定位方法

建立了一种基于模态柔度的桁架结构损伤定位方法。从结构柔度矩阵与刚度矩阵的正交关系出发,将损伤结构在观测模态下的节点误差作为损伤定位的动力指纹,通过采用模态参数的一阶矩阵摄动技术,以近似解析的方式推导了本文方法的损伤定位原理。并且通过对一个典型桁架结构的数值模拟研究,验证了本文损伤定位方法的有效性和鲁棒性。研究结果表明,本文基于柔度的损伤定位方法能够在实际观测条件下,准确地识别桁架结构的损伤单元位置。     

RBF神经网络及其在结构损伤识别中的应用研究

采用具有更好的仿生效果的径向基函数(RBF)网络对单处损伤结构及多处损伤结构的损伤程度、位置、区域、处数进行识别,网络学习方法选择了简单易行、精度高且运算速度快的正交最小二乘(OLS)法.通过实例对该方法进行了测试,并与BP网进行了比较.测试结果可验证:RBF网络及其OLS学习方法可以快速、有效、高精度地识别结构损伤状况.     

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。     

基于静力测量数据的随机梁式结构损伤识别

考虑模型误差和测量误差的影响,用概率的观念给出了静力荷载作用下梁式结构的模型误差和测量误差的定义,在此基础上,建立了关于损伤指数的随机控制方程.结合静力凝聚法和摄动法,给出了关于随机损伤指数的随机方程的求解方法.在获得随机损伤指数的解后,可通过结构损伤的概率定义对梁式结构损伤进行识别.最后利用几个数值算例验证了本文方法的有效性.     

局部损伤复合材料层合板的振动分析

本文采用了一种改进方法对局部损伤复合材料层合板进行了振动分析,将复合材料板中的损伤模拟为局部刚度的削减,并取三个损伤因子来刻画损伤的特性．利用高阶摄动法对其自由振动方程进行求解,主要计算了损伤板的自然振动频率和振动模态．相较于一阶摄动展开法,该方法在计算局部较大损伤问题中具有更高的准确度和敏感度．最后对损伤问题进行了参数研究,分析了不同的损伤因子（包括局部损伤程度、方向、面积大小）对板自由振动频率的影响．该方法为二维板局部损伤检测提供了有效精确的理论依据,并为损伤的定量评价提供了一种思路．     

Damage precursor detection for structures subjected to rotational base vibration

This paper presents a nonlinear dynamic methodology for monitoring precursors of fatigue damage in metallic structures under variable rotational base excitation. The methodology accounts for important nonlinearities due to the complex loading generated by variable rotation and structural degradation. The sources of the nonlinearities include: structural stiffening due to gyroscopic motion and high-response amplitude at the fundamental mode, softening due to inertial forces and gyroscopic loads, and localized microscopic material damage and micro-plasticity. The loading intensity and number of vibration cycles increase the influence of these effects. The change in the dynamic response due to fatigue damage accumulation is experimentally investigated by exciting a cantilever beam at variable rotational base motions. The observed fatigue evolution in the material microstructure at regions of large stresses (and the resulting progressive structural softening) is tracked by quantifying the growth in the tip response, the change in the fundamental natural frequency of the beam and the skewedness of the stepped-sine response curve. Previous understanding of the structural dynamic behavior is necessary to ascertain the damage precursor location and evolution. Nanoindentation studies near the beam clamped boundary are conducted to confirm the gradual progression in the local mechanical properties as a function of loading cycles, and microstructural studies are conducted to obtain qualitative preliminary insights into the microstructure evolution. This study demonstrates that careful monitoring of the nonlinearities in the structural dynamic response can be a sensitive parameter for detection of damage precursors.     

基于应变模态和稀疏贝叶斯学习的网架结构损伤识别

传统稀疏贝叶斯学习算法进行损伤识别时需要对每个单元进行刚度损伤系数的迭代更新,当结构单元众多时,存在计算效率低和对振型的完备性要求高等问题.本文提出了损伤识别两步法,首先利用应变模态差指标进行疑似损伤单元的判断;接着以单元刚度损伤系数为目标参数,建立结构损伤识别的多层次稀疏贝叶斯学习模型,利用稀疏贝叶斯学习算法进一步识...