结构损伤与荷载的快速同步识别方法研究

本文仅以损伤因子为优化变量,提出一种结构损伤和荷载同步识别的方法。首先通过时域荷载识别的方法将未知荷载转化为损伤因子的函数,将近似荷载作用下的结构响应和实测响应的平方距离作为目标函数,从而降低了需要识别未知参数的数目;然后在目标函数的计算过程中,利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想,快速构造给定损伤因子下系统的脉冲响应,避免每步迭代重新集装系统矩阵,并通过荷载形函数方法进一步提高荷载识别的效率;最后利用二次多项式插值近似结构每个时刻的响应方法和推导对应目标函数的梯度表达式来提高优化搜索的速度。本文利用刚架模型进行数值模拟,准确识别了结构中柱子单元刚度损伤、附加质量以及梁上的未知移动荷载,并通过一个悬臂梁试验进一步验证所提出方法的准确性和可行性。     

基于虚拟变形法的移动质量识别方法研究

在车-桥耦合系统的移动质量(荷载)识别反问题中,识别移动质量会面临重构系统、优化缓慢的问题;而若直接识别移动荷载常常会遇到病态问题且对噪音敏感。针对这些缺陷,根据虚拟变形法(VDM)的结构快速重分析思想,提出移动动态影响矩阵,实现利用较少的传感器即可快速而准确地识别移动质量(荷载)。以移动质量为优化变量,避免了识别荷载常遇到的病态问题,对噪音鲁棒性强;且需要传感器信息少。每步优化中,利用移动动态影响矩阵,无需时时重构车-桥耦合系统的时变系统参数矩阵,优化效率高。VDM方法的思想是将实际结构的响应计算转化为初始结构模型在相同外荷载作用下的响应,与在结构模型发生改变的位置施加相关的虚拟变形或虚拟力引起的响应的线性叠加。通过简支梁模型和框架梁模型验证了该方法的可行性和有效性,即使在5%的噪声影响下,利用一个传感器就可以很好地识别多个移动质量。     

基于附加虚拟质量的储罐损伤识别方法

针对储罐的具有空间对称、低阶模态密集且对局部损伤不敏感的特点,提出附加虚拟质量的损伤识别方法。首先结合储罐结构模态的灵敏度分析,确定附加质量的大小;接着基于虚拟变形法(VDM)的基本思想,利用在原储罐结构的激励时程和对应位置的加速度响应时程,构造附加质量后的频率响应并识别其频率;然后利用储罐结构空间对称特点,根据附加虚拟质量后的频率的分布规律初步判断损伤的位置;进一步,结合有限元模型的灵敏度方法进行迭代求解识别损伤的程度;最后利用储罐有限元模型进行数值模拟,可以准确的识别出损伤位置和程度,验证方法的有效性。     

基于子结构虚拟变形的损伤识别方法

针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。     

考虑桥路面粗糙度的移动体参数识别

基于虚拟变形(VDM)方法中移动动态影响矩阵的概念,利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆,系统推导和阐述了车-桥耦合系统中粗糙路面上移动体参数的识别方法。以移动体参数的修正因子为优化变量,通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离进行识别,识别精度高,对噪声鲁棒性强,且较少的传感器就能识别多个移动体参数。利用移动动态影响矩阵,每步优化中无需时时重构系统参数矩阵,计算效率高。利用一个三跨连续梁模型验证该方法的有效性,在5%的噪声影响下,利用一个传感器可以准确地识别多个移动体参数和移动荷载。此外,通过比较平坦路面与粗糙路面上的移动体参数的识别方法和结果,结合车体参数的灵敏度分析,说明了路面粗糙度、移动体参数对结构响应的影响及不同情况下参数识别中优化变量的选取原则。     

基于位移平均曲率差的桥梁结构损伤识别方法研究EI北大核心CSCD

针对结构损伤识别受外界随机荷载干扰较大的问题,提出了归一化位移均值波形的平均曲率差法。该方法将多样本组的位移响应均值作为损伤特征函数,初步消除噪声的影响;再将位移均值曲线的曲率归一化处理,并求解曲率差值,大大降低随机荷载的影响;最后以相邻测点的平均曲率差为损伤识别指标判断损伤单元。以简支梁桥和自锚式悬索桥为算例,从理论和数值模型两方面对提出方法进行验证。结果表明,所提方法既能对任一移动荷载作用下的结构进行损伤识别,也适用于随机荷载作用下的结构损伤识别。该研究还分析了不同程度噪声对识别效果的影响,从分析结果可以看出,所提方法具有较好的抗噪性能。     

基于形函数方法快速识别结构动态荷载的试验验证

在动态荷载识别中常常由于矩阵的病态性影响识别的精度,利用有限元理论中的形函数逼近荷载曲线,将识别离散的荷载历程转化为计算有限的形函数权重,从而显著改善反卷积法识别荷载中存在的采样时间长或采样频率高时数值求解困难的问题;并能改善反问题的病态性,提高对噪音的鲁棒性。一个连续梁的数值算例比较验证了该方法在5%的高斯噪声影响下能精确地识别未知荷载。悬臂梁试验中,通过实测的结构动态响应,在移动时间窗内利用荷载形函数方法可以实现激励的在线识别。     

未知输入下的复合反演研究

回顾了近年来未知输入情况下的结构参数识别算法,并针对未知输入情况下的复合反演算法做了深入研究,总结归纳了这类算法的特点和应用条件,并在此基础上提出了能够用于具有多个未知输入组合下的复合反演算法。此方法是基于最小二乘原则并结合统计平均思想的一类迭代算法,对于在多个未知输入情况下的结构(例如在地震动和风荷载共同作用下等),可以用来识别结构参数并同时反演多个未知输入。与仅适用于具有一个未知输入情况下的复合反演算法相比,本文方法具有更广泛的应用背景,最后以一个4层剪切型结构为例来验证本文方法。有噪声情况下和无噪声情况下的识别结果显示本文方法具有一定适用性。     

基于精细积分方法的桥梁结构移动荷载识别

针对桥梁结构移动荷载识别问题,有效地将桥梁结构振动微分方程化为精细积分方法的一般格式,进而将精细积分方法推广于荷载作用点随时间连续变化的移动荷载的识别问题中,以HPD-S精细积分格式为基础,推导出相应的荷载识别公式,并与以HPD-L精细积分格式为基础的荷载识别方法进行了比较。仿真算例表明,无论对于简谐变化还是线性变化的外荷载,即使采用较大的时间步长,前者仍具有很高的识别精度;同时对后者进行了修正,也得到了令人满意的识别效果。     

压电智能结构冲击荷载有限元逆向求解方法

基于压电智能结构有限元动力方程,提出冲击荷载的逆向求解方法：采用最小二乘优化算法,通过后向迭代逆运算及前向迭代运算,使目标值与实测值最小方差不断收敛,完成对未知冲击荷载大小与作用位置识别。建立简支压电智能薄板有限元数值模型,算例结果表明该方法精度可满足工程计算要求,适用于形状、边界条件较复杂的智能结构冲击荷载识别。     

板结构静载荷的损伤检测算法

在四周固支板结构上施加一个静载荷,求所测得的应变向量的单位向量,该单位向量与载荷大小无关,与加载位置有关,称为"模式".根据有限元理论,当某个单元出现了损伤,损伤对应变场的影响相当于一些附加载荷作用在完好结构上,且这些附加载荷作用在损伤所在的单元节点上.损伤检测的问题就成为多载荷识别问题.将损伤前后的模式进行相关分析,可以识别附加载荷位置,判别加载点是否是损伤位置.通过在结构上逐点加载,可以发现结构上出现的所有损伤.     

Enhancement of damage indicators in wavelet and curvature analysis

Damage in a structural element induces a small perturbation in its static or dynamic displacement profile which can be captured by wavelet analysis. The paper presents the wavelet analysis of damaged linear structural elements using DB4 or BIOR6.8 family of wavelets. An expression is developed for computing the natural frequencies of a damaged beam using first order perturbation theory. Starting with a localized reduction ofEI at the mid-span of a simply supported beam, damage modelling is done for a typical steel beam element. Wavelet analysis is performed for this damage model for displacement, rotation and curvature mode shapes as well as static displacement profiles. Damage indicators like displacement, slope and curvature are magnified under higher modes. Instantaneous step-wise linearity is assumed for all the nonlinear elements. A localization scheme with arbitrararily located curvature nodes within a pseudo span is developed for steady state dynamic loads, such that curvature response and damages are maximized and the scheme is numerically tested and proved. This paper is dedicated to Prof R N Iyengar of the Indian Institute of Science on the occasion of his formal retirement.     

基于神经网络的损伤构件及损伤程度识别

确定损伤构件及其损伤程度是分阶段损伤识别的最后一步,同时又是进一步制定结构安全运行决策的前提和基础。研究了在确定了结构损伤区域的条件下,应用反向传播(BP)神经网络同时实现对具体损伤构件及其损伤程度识别的方法。探讨了针对上述神经网络训练数据的构造和训练策略。应用提出的方法对汲水门斜拉桥桥面结构进行了损伤识别仿真模拟。基于模态参数对损伤的灵敏度分析,选取了12个自振频率和损伤区域附近的6个振型分量作为构造网络输入的基本数据。网络的输出向量同时指示了损伤构件及其损伤程度。就模拟的10种损伤情况,当损伤程度达到60%以上时,有9种实现了正确的构件识别,半数以上给出了可以接受的损伤程度描述。     

复杂分布动载荷识别技术研究

复杂结构的分布动载荷识别技术是动载荷识别技术的难点之一。本文推导了基于广义正交多项式特征技术动载荷识别模型，解决了在一定精度范围内通过有限测量点的振动信息识别具有无限未知量的分布动载荷关键技术，通过动态标定技术的研究和复杂结构有限元模型数值仿真计算，验证了方法的正确性、有效性和工程可用性，适用于具有确定性分布的稳态振动载荷识别．为分布动载荷识别技术的发展打下一定的基础。     

动载荷时域半解析识别方法

基于模态空间转换、离散数据最小二乘拟合与模态叠加原理,提出一种动载荷时域半解析识别方法。通过模态空间转化将动载荷识别问题转化为模态坐标函数识别问题,以结构特性参数与已知自由度上的动响应为输入,利用最小二乘拟合得到模态坐标的拟合函数,根据叠加原理与结构动力学控制方程,识别出结构时域动载荷。分别用计算仿真与试验测试得到的时域加速度响应作为输入,实现时域动载荷的识别。识别结果与真实动载荷对比表明,本文的识别方法能较准确地识别结构动载荷值及载荷作用部位。     

Distributed dynamic load identification based on shape function method and polynomial selection technique

A new approach based on shape function method of moving least square fitting (SFM_MLSF) and polynomial selection technique is proposed in this paper for distributed dynamic load identification. The distributed dynamic load is represented as a product of spatial distribution function and time history, and the two parts are assumed to be independent. The modal transformation of structural dynamic equation throws light on the fact that all modal loads share the same form with the distributed dynamic load in time domain. As the structural modal parameters are known, the time history of dynamic load can be precisely identified through SFM_MLSF method which approximates the local dynamic load with shape functions in the moving supporting time domain. Then, the spatial distribution function of the load is substituted as a series of basic functions, and the identification of distribution function is transformed into a linear fitting problem. Through polynomial selection technique based on error reduction ratio, the significant components are picked out from the basis function responses, which greatly improves stability and precision of the load distribution function. During the inverse analyses of both the time history and distribution function, appropriate regularization methods are still applied to overcome the unavoidable ill-conditioned problem. Numerical examples demonstrate the validity and accuracy of the proposed method.     

高速动车组构架载荷特征研究

高速动车组转向架构架不仅承受和传递来自一系和二系悬挂系统的载荷,而且承受来自电机、齿轮箱以及牵引制动等部件产生的载荷,因此,这些载荷引起的构架结构疲劳可靠性受到广泛关注,但这些与构架结构可靠性密切相关的载荷却少有研究。该文提出解耦和降维法识别某型高速动车组构架轴箱弹簧垂向载荷、定位节点横向载荷、电机垂向和横向载荷、齿轮箱垂向载荷以及抗侧滚装置载荷,制作测力构架并首次实际线路全面测试该型动车组运行过程中载荷引起的应变信号,列车最高试验速度368 km/h。对测试数据进行处理和分析,获得了高速动车组运行工况下这些载荷的时间历程,分析了载荷的时域和频域特征,给出了轴箱弹簧载荷峰值与运行速度之间关系。采用雨流计数法统计了载荷峰谷值和频次,获得了不同速度等级下载荷谱,给出了构架200万次试验条件下的等效载荷。结果表明:轴箱弹簧载荷、定位节点横向载荷、电机载荷以及齿轮箱载荷受列车运行速度和轨道激扰影响明显,抗侧滚装置受列车速度和曲线条件影响明显,轨道随机激扰对抗侧滚装置载荷影响不明显。钢轨现场焊接接头不平顺使得轴箱弹簧承受明显的冲击载荷并作用于构架,且该冲击载荷频率一般为49 Hz~51 Hz。列车正线行驶时,轴箱弹簧载荷最大动荷系数0.23,构架侧滚和浮沉载荷系数最大值分别为0.14和0.1。电机和齿轮箱载荷峰值接近标准JIS E4208给出的动载荷值。幅值频率积可直观地表示中高频范围内载荷幅值变化特性。该文研究结果对高速动车组动力学研究和构架结构设计及疲劳试验等具有重要意义。     

结构动态载荷识1别的精细逐步积分法

对比例阻尼系统给出了基于精细逐步积分法的动态载荷识别方法.首先将系统进行模态坐标变换得到无耦合运动方程,然后应用精细逐步积分法构造一种高效精确的载荷识别公式,再由结构动态响应求出动态力的时间历程.数值算例验证了本方法的识别精度是好的.