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。     

基于代数算法的单元模态应变能灵敏度分析

模态应变能在基于振动的结构损伤识别中得到了广泛的应用,其灵敏度分析成为了当前的一个重要问题。采用代数方法解析推导出了无阻尼线性系统单元模态应变能一阶和二阶灵敏度的解析表达式,该表达式简洁紧凑,便于编程,而且只需一阶模态信息,不存在模态截断引起的误差问题。通过数值模拟算例,对得到的单元模态应变能一阶灵敏度进行了参数分析,并着重考查了损伤及其噪声的影响。结果表明,低阶单元模态应变能比高阶模态能更好地反映出结构损伤,而且抗噪能力更好。     

基于模态应变能法的弹性薄板损伤识别

针对薄板构件振动疲劳损伤问题,提出基于模态应变能结构损伤识别新方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为依据,通过比较弹性薄板结构单元损伤前后的模态应变能变化率构造损伤指针。在构建损伤指针之前,假定弹性板的刚度是由单元刚度组成,在定义单元刚度灵敏度公式基础上建立弹性薄板损伤前后模态应变能变化关系。最后,基于模态柔度曲率法验证模态应变能法在弹性薄板单损伤与多损伤识别方面的优劣性。     

基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究

针对单一方法对结构同时发生多处不同程度损伤识别的不敏感性缺陷,本文结合小波变换在时域、频域内表征信号局部特性且能够聚焦到信号或函数的任意细节进行处理的能力,提出了一种基于单元模态应变能和小波变换的结构损伤识别方法。在单元模态应变能基础上,利用小波变换系数的变化和分布情况构建单元模态应变能小波变换结构损伤指标,通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型试验研究的结果与单元模态应变能平均变化率作为损伤识别指标的计算结果进行对比,结果表明该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度,为实际工程应用奠定了基础。     

基于振动测试的海洋平台结构无损检测

针对海洋平台等复杂大型土木工程结构物，研究基于振动测试的无损检测方法，提出了一套利用结构单元模态应变能特性的新损伤诊断方法。该方法是将结构单元的模态应变能分解为拉压模态应变能和弯曲模态应变能，并定义了两个损伤诊断指标，即拉压模态应变能变化率(CMSECR)和弯曲模态应变能变化率(FMSECR)。模态应变能是通过结构不完备模态振型和结构刚度矩阵计算出的，因此，可以通过振动测试得到结构单元的两个损伤指标诊断结构的损伤。为了验证本文所提出损伤诊断方法的正确性，利用海洋平台有限元模型数值模拟了三个典型的损伤工况。根据损伤诊断结果，本文所提方法能够得到较满意的诊断精度，具有一定的实际应用价值。     

利用模态应变能变化率的结构损伤识别优化方法

针对结构损伤识别过程中存在的定位精度和量化分析不足的问题，提出一种基于结构振动响应的模态应变能变化率与优化技术相结合的损伤识别方法。利用两步法确定可疑损伤单元及对其损伤程度进行量化分析。通过有限元法建立结构的损伤特征模型，且利用单元模态应变能变化率指标构建损伤指标优化分析的目标函数。数值分析过程中，利用粒子群优化算法与遗传算法对设计变量进行优化分析。同时比较模态应变能变化率与小波分析两种方法下的损伤定位的量化分析效果和识别效率。在实际算例中，利用梁结构进行损伤识别优化方法的结果验证。结果证明该方法能够显著提高结构振动损伤和定位的有效性。该方法不仅能够快速和精准地进行结构损伤量化分析，比小波方法具有更好的定位效果，而且能够提高量化分析的识别效率。但该方法在实施过程中的定位精度容易受到噪声的影响，通过优化目标函数可在一定程度上提高该结构损伤识别方法的抗噪能力。     

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。     

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。     

裂纹对空间框架固有频率影响的数值分析

利用有限元方法,对不同位置、不同深度和不同方位裂纹引起的空间框架结构固有频率改变进行了比较分析,将有限元分析得到的梁单元模态应变能力分解为拉压、扭转和弯曲模态应变能,并对结构固有频率改变量随裂纹位置变化的曲线与这些模态应变能分布曲线进行了对比分析。     

支持向量回归算法在梁结构损伤诊断中的应用研究

支持向量机算法具有很优秀的回归特性，所以将其应用于梁结构的损伤诊断方面。以模态频率作为特征参数，训练支持向量机实现对损伤的定位和程度标识，并通过对悬臂梁的损伤识别仿真计算进行了验证。结果表明：支持向量机在结构损伤诊断领域中具有很好的应用前景。     

模态声发射在结构材料缺陷定位中的研究

针对在役结构材料中间时存在静态和动态缺陷时难于进行缺陷平面定位的问题，利用声发射技术实时记录声发射波形时域信号的特点，结合薄板中Lamb波的频散特性和Gabor小波时频分析方法，研究并提出了一种新的实用定位方法。该方法通过先后采用三角形和椭圆平面定位方法可分别反演动态缺陷、静态缺陷的位置，并利用低频时频散不明显的对称模态波速和同一时域信号的相对时差来避免波速变化与各传感器间灵敏度差异和门槛值不同对椭圆定位精度的影响。经过实验研究证明，应用这种方法反演得到的缺陷位置和实际缺陷位置一致。     

梁裂缝损伤检测的模态应变能法及试验研究

结构裂缝存在将使其局部刚度减少,而局部刚度下降与其固有频率变化紧密相关。应变能对局部损伤较固有频率更为敏感。把结构遭受裂缝损伤的应变能变化量作为损伤指标,提出一种全新的无损裂缝识别方法。并把影响损伤指标因素与假设检验相结合,利用参数假设检验进行识别结果验证。用简支梁模型进行模态试验,将梁损伤前、后的模态参数提取,并用该方法进行裂缝位置及裂缝深度参数的识别。结果表明,该损伤检测方法识别结果精度较高,将其用于裂缝损伤检测是可行的。     

基于不完备实测模态数据的结构损伤识别方法研究

在传统的基于模型修正的损伤识别中,由于实测模态信息有限而待识别参数过多,往往导致损伤识别方程出现较大误差,从而限制了该方法在复杂结构中的应用。为解决这一问题,对结构的自由度进行了分解,将损伤结构中模态振型的未测量部分表达为已测量到的模态振型、模态频率以及结构其它参数的函数。将损伤视为结构单元刚度的减小,利用完好结构的计算模态数据以及损伤结构扩充后的实测模态数据,建立了结构的损伤识别方程。运用信赖域优化算法对具有双重约束条件的目标函数进行最小化,识别出了结构各单元的刚度损伤参数。通过两个损伤识别数值仿真算例及实验验证,结果表明,在测点数量有限及测试噪声等不利因素影响下,所提方法只需运用少量的实测模态信息,即可实现结构损伤位置及程度的准确识别,同时算法具有较好的鲁棒性。     

基于二维波束聚焦算法的低速冲击监测研究

冲击损伤监测是结构健康监测的主要研究内容之一,为提高冲击定位的精度以及传感器的利用效率,提出了一种基于十字阵列型传感器布置方法的二维波束聚焦冲击定位算法,在高精度的前提下有效减少了传统定位方法所需布置的传感器数量。通过十字阵列型的压电传感器布置方法,可以将远场的定位精度大大提高,对于内场的盲区采用四点圆弧定位算法进行冲击定位,从而将整个大型平板结构的冲击定位精度大大提高。通过实验研究验证了该方法的有效性与实用性。     

基于改进交叉模型交叉模态法的局部损伤识别方法

传统的交叉模型交叉模态（CMCM）法由于其核心矩阵的缺秩使其在全局修正时的解不唯一,为得到唯一解必须人为假定约束。以往利用CMCM法进行损伤识别的研究中,通常将损伤前后质量保持不变作为约束求得各单元刚度的修正量,然后将刚度的下降作为判断损伤的依据。然而,结构在极端运营条件下质量的变化也是损伤的一种。为此,本文对传统的CMCM法进行了改进,提出了以下的改进方法：首先,由基准状态下的有限元模型和损伤后实测的结构低阶模态信息求得核心矩阵,将核心矩阵最小奇异值对应的右奇异向量作为损伤指示向量（DIV）;然后,基于损伤的局部性利用聚类分析算法自动识别DIV中的异常元素,将异常元素作为损伤定位的依据;最后,由DIV估计各单元质量和刚度的损伤程度。改进后方法的优势在于：无需人为主观地添加约束即可一次性求出结构各单元质量和刚度损伤前后的变化,避免了错误或不准确的假设给损伤识别结果带来的误差。通过数值实验对该改进方法的可行性、鲁棒性以及损伤敏感性进行了研究,并通过美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一个4自由度板柱结构振动台实验对改进方法的有效性做了进一步的验证。