去噪正则化模型修正方法在桥梁损伤识别中的应用

以传统基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础,提出一种结合小波去噪过程的正则化模型修正损伤识别方法.为改进模型修正方法损伤识别效果,一方面利用有损结构模态与模态噪声的波形在时频域内的差异,以结构有限元模型为基准,对实测模态差进行小波去噪处理,并利用修正后的模态构造目标函数；一方面采用正则化方法改善反问题求解的非适定性.由于从输入数据和求解过程两方面同时改善了结构损伤识别反问题的求解,因此可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,正确识别结构损伤.以连续梁桥模型为例的损伤识别数值模拟表明,所提出方法在保持识别算法鲁棒性、抑制噪声的同时,可有效提高桥梁结构损伤的识别精度.     

改进的正则化模型修正方法在结构损伤识别中的应用

基于灵敏度分析的有限元模型修正方法与Tikhonov正则化方法相结合,可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,正确识别结构损伤,但也存在着识别结果过度光滑的缺陷。通过在Tikhonov罚函数项中引入光滑函数,改善Tikhonov正则化方法对非光滑解的描述能力,在保持识别算法鲁棒性的同时,提高模型修正方法对于结构损伤的识别...     

基于模型修正的钢管焊接结构焊缝损伤识别

摘要：本文提出了一种基于模型修正的钢管焊接结构焊缝损伤识别方法。利用从发射台骨架试验模型获取的模态参数，选择识别结果中精度较好的模态频率作为模型修正的基准频率。通过对待修正参数的灵敏度分析，运用ANSYS和MATLAB软件对有限元模型进行了修正。以实测模态和计算模态之间的误差建立一个带约束边界非线性最小二乘目标函数，将损伤识别问题转化为优化问题，并采用信赖域方法求解该优化问题。以有限元模型焊接结点单元组弹性模量的降低模拟焊缝损伤，并假定了两种损伤工况，通过对发射台骨架模型的数值仿真及试验研究，结果表明本文提出的损伤识别方法识别效果较为理想，为解决这种复杂焊接结构焊缝损伤识别问题提供了新的思路。     

网壳结构损伤识别的数值模拟及试验研究

网壳结构工程事故频繁发生,对其进行损伤识别及健康监测已迫在眉睫。针对网壳结构特点,推导了剩余模态力理论和最小秩摄动理论的基本公式,研究二者在大型网壳结构损伤识别应用中的有效性。依据相似理论,设计制作单层短程线网壳结构模型,对其进行模态试验研究,获取了损伤识别所必需的实测结构模态参数。利用Guyan静态缩聚技术进行有限元模型缩聚,采用最小秩摄动理论进行有限元模型修正,对比研究了基于数值模拟数据和试验实测数据的损伤位置判定及程度评估的整个过程。结果表明,基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法不仅可以识别结构单损伤位置和多损伤位置,还可以定量评估损伤程度,对网壳结构的健康诊断是可行的。     

基于移动质量-频率曲线的结构损伤识别方法

针对土木工程中结构实测得到的模态信息少,结构损伤识别方法对噪声敏感且依赖高精确度有限元模型等问题,提出利用移动质量-频率曲线识别结构损伤的方法。首先,在结构上附加移动质量块,获得结构频率关于附加质量位置的关系曲线;然后,建立结构近似有限元模型,通过计算实际模型与近似有限元模型之间的质量-频率曲线的相关性,建立目标函数进行优化;最后,利用变截面简支梁结构进行数值模拟。结果表明:在模型存在较大误差情况下,该方法仍能够准确识别损伤位置,验证其具有较高的适用性。     

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。     

基于模态柔度矩阵的结构损伤识别

基于模型修正技术的结构损伤识别方法,无需事先知晓结构的损伤位置,比仪器直接探测更具优势。模型修正大多以模态频率和振型为修正目标。然而,结构损伤对系统的模态频率和振型影响较小,采用模态频率和振型为目标的传统修正方法,难以识别出结构的损伤。为此,引入对结构损伤极为灵敏的模态柔度矩阵,研究以模态柔度矩阵为目标函数的损伤识别方法。选取某带孔的矩形长铁片为研究对象,沿其纵向等分为31块,计算模态柔度矩阵关于各等效模量相对量的灵敏度。结合灵敏度矩阵,利用实测和有限元模型间的柔度矩阵残差建立目标函数,并引入正则化方法求解目标函数的超定方程组。经过9次迭代目标函数收敛,损伤识别结果与实际值保持高度一致,从而验证该方法的正确性和实用性。     

基于Kriging模型和分层模型修正技术的结构边界条件识别

为得到能够准确反映结构装配关系的有限元模型边界条件，结合Kriging模型和分层模型修正技术，提出了一种结构边界条件识别方法。为削弱材料参数误差对边界条件识别的影响和改善修正不适定，利用实测自由模态频率，修正有限元模型的材料参数；以修正后的模型为基础进行边界条件识别，通过灵敏度分析确定模型的待修正边界参数，采用拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling, LHS)进行试验设计，并以实测约束模态频率与Kriging模型预测频率的差值最小为目标函数，利用粒子群算法求解最优参数。某包装机械摇臂连杆结构的试验结果表明，与传统的边界条件识别方法相比，所提方法具有较好的识别效果，识别得到的边界参数、结构响应等与实际结构具有较好的一致性。     

基于人工鱼群算法的结构模型修正与损伤检测

提出结构模型修正结构损伤检测的人工鱼群算法。将结构模型修正与结构损伤检测结构动力学逆问题转化为约束优化数学问题,并尝试用人工鱼群算法求解。介绍人工鱼群算法基本原理,定义关键参数并描述觅食、聚群、追尾及随机等行为;据模型修正原理利用结构损伤前后模态特性数据定义优化问题目标函数;通过两层刚架不同损伤工况数值仿真、三层框架试验数据验证方法的有效性。结果表明,基于人工鱼群算法的结构模型修正与损伤检测方法能有效修正结构有限元模型,在不同噪声水平及各种结构损伤工况下不仅能准确定位结构损伤且能精确识别损伤程度。     

基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的结构损伤识别

针对基于群智能结构损伤识别既有方法的识别精度和抗噪鲁棒性不足问题,提出基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的方法求解结构损伤识别问题。将结构损伤识别逆问题转化为数学中的约束优化问题,并根据模型修正原理利用结构模态参数定义优化问题的目标函数;在目标函数中引入迹稀疏约束;通过不同损伤工况下简支梁损伤识别数值模拟以及钢管简支梁实验验证方法的有效性。结果表明,基于蚁狮优化算法与迹稀疏正则化的结构损伤识别法能有效修正有限元模型,在不同噪声水平和损伤工况下不仅能准确定位损伤位置,且能精确识别损伤程度;该方法为结构损伤的现场识别提供了可能性。     

基于替代模型的岸桥随机有限元模型修正

研究了考虑参数随机不确定性的岸桥有限元模型修正问题。首先,假设岸桥的待修正参数和模态参数都服从正态分布,将不确定性模型修正问题转化为均值和标准差的修正问题;其次,以某岸桥为研究对象,进行风振响应实测,利用随机子空间法得到岸桥前4阶实测模态参数;最后建立岸桥的有限元模型,基于Kriging替代模型及多目标遗传算法对岸桥结构进行有限元模型修正。结果表明,考虑参数不确定性的随机有限元模型修正方法能有效修正岸桥结构参数的均值和标准差。     

阻尼矩阵与刚度矩阵的一种直接修正方法

提出了一种利用复模态测量数据同时修正有限元阻尼与刚度矩阵的有效方法。借助于矩阵的奇异值分解得到了满足动力方程的最小修正矩阵。该方法有一个简洁的表达式，修正过程简单而且容易实现，数值试验表明修改后的结构参数能准确地同试验值吻合。     

基于响应面方法的支架结构模型修正研究

为减小有限元建模中不可避免的误差,以支架结构模型为研究对象,选取结构不同部件的三个弹性模量和三个密度参数作为设计变量。根据中心复合设计,建立试验样本空间,利用样本参数的显著性分析结果筛选修正参数。结合线性回归方法,建立支架模态频率与修正参数的二阶多项式。以试验模态分析结果为依据,完成支架结构模型修正。响应面方法修正后的模态频率与试验模态频率具有一致性,且避免重复调用有限元模型,大大提高修正效率,具有修正响应快速性和工程实用性。     

Damage assessment on plate-like structures using a global-local optimization approach

A new method for finite element model updating using simulated data is presented. A global-local optimization (GLO) approach was adopted to adjust the uncertain properties of the FE model by minimizing iteratively the differences between the measured dynamic modal parameters and the corresponding analytical predictions. In contrast with most of the existing updating techniques, which minimize modal force errors, objective functions based on Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC) and Frequency Response Assurance Criterion (FRAC) were employed. The GLO procedure was employed to minimize the norm of these vectors by updating the physical model variables (thickness, Young modulus, etc.). The proposed model updating procedure was applied to damage localization and quantification of structures, whose damage characteristics can be represented by a reduction of the element bending and axial stiffness. Results showed that a significant reduction in terms of computer run-time and improved damage assessment can be achieved. The procedure is illustrated on a plate-like structure by measuring dynamic properties before and after structural changes for four different damage cases.     

基于经验模态分解和模型缩聚的动力响应重构方法研究

大型工程结构自由度数量巨大,采用现有基于全局有限元模型的时域方法重构此类结构动力响应效率低、计算难度大,因此,提出一种结合经验模态分解和模型缩聚的动力响应重构方法.基于模态综合法,将有限元全模型适当划分为多个子结构,通过坐标转换,得到自由度数目更少的超单元模型,结合带有间歇准则的经验模态分解法进行重构.由于该方法无需考...     

An improved perturbation method for stochastic finite element model updating

In this paper, an improved perturbation method is developed for the statistical identification of structural parameters by using the measured modal parameters with randomness. On the basis of the first‐order perturbation method and sensitivity‐based finite element (FE) model updating, two recursive systems of equations are derived for estimating the first two moments of random structural parameters from the statistics of the measured modal parameters. Regularization technique is introduced to alleviate the ill‐conditioning in solving the equations. The numerical studies of stochastic FE model updating of a truss bridge are presented to verify the improved perturbation method under three different types of uncertainties, namely natural randomness, measurement noise, and the combination of the two. The results obtained using the perturbation method are in good agreement with, although less accurate than, those obtained using the Monte Carlo simulation (MCS) method. It is also revealed that neglecting the correlation of the measured modal parameters may result in an unreliable estimation of the covariance matrix of updating parameters. The statistically updated FE model enables structural design and analysis, damage detection, condition assessment, and evaluation in the framework of probability and statistics. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于区间分析的不确定性结构动力学模型修正方法

提出了一种基于区间分析的不确定性有限元模型修正方法。在区间参数结构特征值分析理论和确定性有限元模型修正方法基础上,假设不确定性与初始有限元模型误差均较小,采用灵敏度方法推导了待修正参数区间中点值和不确定区间的迭代格式。以三自由度弹簧-质量系统和复合材料板为例,采用拉丁超立方抽样构造仿真试验模态参数样本,开展仿真研究。结果表明,当仿真试验样本能准确反映结构模态参数的区间特性时,方法的收敛精度和效率均较高;修正后计算模态参数能准确反映试验数据的区间特性。所提出方法适用于解决试验样本较少,仅能得到试验模态参数区间的有限元模型修正问题。     

基于ICMCM法的GARTEUR结构有限元模型修正研究

摘要：改进的正交模型正交模态 (ICMCM) 法在进行模型修正过程中需要同时使用实验测得的频率及模态振型等数据。本文利用有限元模型的模态振型代替实验测量的模态振型并通过迭代解决了模型修正过程中缺少实验模态振型数据的问题,使ICMCM法具有更广的应用范围。根据国际认可的三级评价标准使用ICMCM法对GARTEUR飞机模型进行了修正,并与国际上其他单位的模型修正结果进行横向比较,结果证明了本文改进方法的可行性及修正结果的优越性。     

浮筏筏架模态测试及模型相关性分析

用有限元法计算浮筏隔振系统的中间筏架其前五阶模态,并通过模态测试测得其模态,再采用LMSVirtual lab对此筏架有限元模型和测试模型进行相关性分析,从分析得到的模态置信度可以看出用有限元法计算的模态基本准确。