基于应变能耗散率的结构损伤识别方法研究

将损伤变量的概念从材料领域拓展到结构中,并用其作为损伤因子来表征结构的损伤程度。通过表示结构损伤时每一单元的模态应变能耗散率引起的单元模态应变能的变化,导出结构每一单元的损伤因子的表达式。考虑到所测的结构模态是不完备的,应用完备模态空间理论将未测的结构高阶模态用等效高阶模态来代替从而消除模态截断误差的影响。最后,通过对一悬臂六跨平面桁架结构的数值算例分析的结果说明,该方法简便、有效,可同时定位结构的损伤和识别损伤的程度。     

基于悬臂桁架损伤度异化的模态识别仿真分析

根据桁架结构杆单元为二力杆的特殊性质,悬臂桁架损伤程度差异对结构节点模态变化的影响,运用ANYSS的二次开发APDL语言对结构损伤单元应变模态进行仿真分析,得到结构损伤程度变化的相对应变的变化规律,检验相对应变参数进行结构无损检测的可行性。     

基于轴向模态应变能比法的三维桁架结构损伤定位方法

本文提出了可用于诊断三维桁架结构的损伤指标——轴向模态应变能比法。该指标仅利用结构的前两阶模态参数,无需转动自由度信息。通过四腿导管架海洋平台结构有限元模型,数值模拟不同构件的多种损伤工况对该指标进行验证,最后通过海洋平台物理模型实验对该方法进行了实验验证。验证结果表明本文提出的轴向模态应变能比法可有效地诊断三维桁架结构的损伤。     

薄板损伤检测的高斯曲率模态差方法

采用结构损伤前后振动的曲率模态差来检测薄板结构的损伤,引入微分几何理论中曲面上一点的高斯曲率概念,通过该点上两个主曲率求其高斯曲率,同时用中心差分求解薄板结构损伤前后的曲率模态值,利用其差值确定薄板的损伤位置,进而确定损伤程度。数值仿真的损伤检测算例表明,曲率模态检测方法的损伤识别精度令人满意。     

基于曲率模态查的四边简支薄板的损伤检测

本文采用结构损伤前后振动的曲率模态差来检测薄板结构的损伤,引入微分几何理论中曲面上一点的高斯曲率概念,通过该点上两个主曲率求其高斯曲率,同时用中心差分求解薄板结构损伤前后的曲率模态值,利用其差值确定薄板的损伤位置,进而确定损伤程度。数值仿真的损伤检测算例表明,曲率模态检测方法的损伤识别精度令人满意。     

基于Bayesian估计的整体和局部信息融合的损伤识别

在结构损伤识别中,如何充分利用整体和局部传感器测试得到的信息来增加结果的准确性是一个值得研究的问题。该文提出基于Bayesian 理论的结构整体局部信息融合的损伤识别方法。首先根据Bayesian理论建立了关于频率、位移模态和应变模态结构损伤的概率模型,静态应变信息提供了Bayesian理论的先验信息,使该概率模型充分利用了各种传感器信息;然后为了减少计算量,采用分步损伤识别的方法,在采用模态应变能指标初步定位损伤范围的基础上,用该文提出的逐个单元消去法定位损伤单元。最后对20 跨刚桁架模型进行试验研究证明了该方法的有效性,并且比较考虑与不考虑应变传感器信息的损伤识别结果。     

柱壳结构损伤识别方法

摘 要:对柱壳结构的损伤部位和程度进行识别是柱壳结构进行安全性评定的一个重要环节。本文对柱壳结构损伤前后动力特性进行了分析,采用摄动法推导了由于单元损伤引起的各阶模态振型改变系数;推导了模态应变能变化与单元损伤之间的关系;采用单元模态应变能的变化率作为柱壳结构损伤诊断的标识量,证明了单元模态应变化率对损伤的敏感性。对柱壳结构损伤识别方法进行了研究,所提出的方法仅需要量测的低阶模态信息和刚度矩阵就能完成结构的损伤识别。最后,以一混凝土柱壳结构为工程实例,对其在不同损伤情况下的损伤进行了分析,结果表明,所提出的损伤识别方法能够很好地识别不同损伤组合下的损伤部位和程度,同时能较好地识别结构小损伤,因而证明了本文所提出的方法的正确性和有效性。 关键词:柱壳结构;损伤识别;动力特性;损伤标识量;模态应变能     

基于神经网络法的多层空间框架结构损伤检测

通过有限元模态分析,获取结构在完好和不同损伤程度下的各阶固有频率与节点振型位移,利用二者的差值作为损伤标识量,灵活的利用BP神经网络进行分步训练,得到框架结构损伤检测的神经网络系统,可以对多层空间框架结构的损伤位置和程度做出成功检测。     

基于CMSE理论和小生境遗传算法的结构多损伤检测方法研究

本文提供了一种基于交叉模态应变能简称CMSE（cross modal strain energy）和小生境遗传算法的结构多损伤位置和严重程度的有效检测方法。交叉模态应变能方法可以使用完好结构和损伤结构的任意一阶模态信息，并且可以使用极少量（例如只用一阶测量模态）的测量信息。不仅与传统的模态应变能方法相比有了很大的改进，而且对实际检测过程中的信息测量降低了要求。在损伤位置的检测中引入了小生境遗传算法，降低了计算量，提高了检测效率，有利于大型复杂结构的损伤位置检测。复合材料机翼盒段算例结果表明，CMSE方法与小生境遗传算法相结合是检测结构多损伤的有效方法之一。     

基于缩聚模态应变能与频率的结构损伤识别

在结构损伤识别中,测试振型往往是不完整的,这阻碍了结构损伤识别技术的应用效率。提出了一种采用缩聚应变能与频率相结合的损伤识别定性与定量方法。采用基于Neumann 级数展开的方法对有限元模型进行缩聚,定义了单元缩聚模态应变能,并证明了缩聚模态应变能的变化对损伤的敏感性;将单元缩聚应变能变化率作为标识量来识别损伤的位置;在损伤位置初步判定的基础上,采用特征值灵敏度法求解损伤程度。以一简支钢梁为例证明了所提出的方法。结果表明:在测量模态数据有误差的情况下也能较好地给出损伤识别结果。     

A damage identification method for truss structures using a flexibility-based damage probability index and differential evolution algorithm

An efficient method for the multiple damage detection of truss systems using a flexibility-based damage probability index (FBDPI) and differential evolution algorithm (DEA) is proposed. In the first step, a new FBDPI is introduced to find the potentially damaged elements of truss systems. The proposed FBDPI is based on the changes of elemental strain, due to damage, computed by the flexibility matrix of the structure. The flexibility matrix of the structure is dynamically estimated using modal analysis data. In the second step, the reduced damage problem is transformed into a standard optimization problem having few damage variables. Then, the DEA is employed to solve the optimization problem for determining the actual location and severity of damaged elements. Simulation results considering measurement noise demonstrate the high efficiency of the proposed method for the damage detection of truss structures.     

基于损伤因子的板架结构损伤识别方法研究

用基于损伤因子的损伤识别方法对板架结构损伤进行识别。先将板架结构简化为多个板的组合;基于损伤前后模态振型从应变能角度推导损伤因子的表达式,用通用有限元软件ANSYS计算两种损伤工况下损伤前后的模态振型,再用B样条法拟合损伤因子曲面从而对损伤的位置进行识别。最后用实验验证了该方法。该方法对于识别板架结构的单个损伤具有较好的可靠性,并可以为识别多损伤位置提供较好的方法指导。     

基于剩余模态力和模态应变能理论的网架结构损伤识别

针对网架结构特点,引入敏感模态的概念,提出了一种识别敏感模态的算法;基于剩余模态力理论,利用敏感模态进行损伤位置识别,并建立了基于模态应变能理论的损伤程度评估算法,采用非负最小二乘法求解超静定方程组,实现定量评估损伤程度。以某实际结构为仿真对象,分析了上述算法在网架结构损伤识别中联合应用的可行性,同时将评估结果与基于最小秩摄动理论的损伤程度评估结果进行了比较研究,并考虑测试噪声影响。结果表明,二者联合工作效果较好,不仅可以识别结构单处损伤,还可以识别结构多处损伤,且损伤程度评估结果同基于最小秩摄动理论损伤程度评估结果比,更可信,将其应用于网架结构的健康诊断是可行的。     

Application of load-dependent Ritz vectors to Bayesian probabilistic damage detection

This paper demonstrates the possibility of incorporating load-dependent Ritz vectors as an alternative to modal parameters into a Bayesian probabilistic framework for detecting damages in a structure. Recent research has shown that it is possible to extract load-dependent Ritz vectors from vibration tests. This paper shows that load-dependent Ritz vectors have the following potential advantages for damage detection over modal vectors: (1) in general, load-dependent Ritz vectors are more sensitive to damage than the corresponding modal vectors; and (2) substructures of interest can be made more observable using the load-dependent Ritz vectors generated from particular load patterns. An eight-bay truss example and a five-story frame example, explicitly considering both modeling error and measurement noise, are presented to illustrate the applicability of the proposed approach.     

基于应变模态差分原理的直接定位损伤指标法

目前应变类损伤指标大多数只能利用损伤前后的模态参数进行损伤定位，但要得到损伤前的模态数据非常困难，难以在土木工程中推广应用。为此提出了无健康标准下基于损伤应变模态差分原理的直接定位损伤指标法ISMSD（Strain Mode Shape Difference），只需利用损伤后应变模态数据即能定位损伤。推导了损伤应变模态等间距和不等间距差分格式。在综合考虑相邻两有效极值点间有效距离比、有效极值之差绝对值、有效极值绝对最大值的基础上，建立了直接定位损伤指标数学模型。根据理论推导和数值仿真统计分析，提出损伤位置判定准则：若某点的每阶指标值均最大，则该点有损伤；若某点的某阶或多阶指标值越大，则该点损伤可能性越大；对于某阶节点损伤，则可通过其余阶的指标值定位损伤。该指标能正确地判定损伤位置，尤其是损伤量较小情况。     

Modal power flow with application to damage detection

Features of power flow of an undamped beam at resonance are studied in the present paper. It is found that when an undamped beam undergoes free vibration at one of its natural frequencies, the active component of the power flow becomes zero while the reactive component is of modal pattern, whose characteristic frequency is twice of the natural frequency. The power flow in this case can thus be termed as modal power flow. The instantaneous energy density associated with the vibration mode consists of a static component and a dynamic component, related to the mean total and Lagrangian energy densities, respectively. The modal power flow is relevant to the latter but independent of the former. Potential application of modal power flow to structural damage detection is investigated. Two typical damages, transverse cracks and delaminations, are considered. A damage index based on the modal power flow is proposed, and compared with the damage indices based on the slope, the bending strain, and the strain energy through numerical examples. The imperfection of boundary conditions is also considered. It is shown that the proposed damage index is sensitive to both types of damage, thus can be used as an universal damage indicator.     

基于模态应变能耗散率理论的结构损伤识别方法

本提出了基于模态应变能耗散率理论的一种新的结构损伤识别方法。表示结构损伤的损伤变量的概念来自于材料领域，并推广到了构件和结构；在此基础上，结构单元的损伤变量是通过建立模态应变能耗散率和相应的结构损伤前后的应变能变化的关系而获得。该方法所要求的结构损伤前后的振型模态可以是不完备的。对测量噪声的影响具有较强的鲁棒性。最后，通过数值算例的分析结果说明，该方法简便、有效，可定位结构的损伤和识别损伤的程度。