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。     

结构损伤识别中模态跃迁的研究

损伤会引起结构参数的变化,由此将可能导致损伤前后模态不再按相同阶数一一对应。通过理论推导与分析,得出损伤前后模态可能会跃迁的结论。基于相关原理,通过计算损伤前与损伤后模态的相关系数,可以判定跃迁后模态的对应关系。数值仿真实验表明该方法具有较高的精度。     

利用模态试验数据进行结构损伤评估

本文提出了一套利用模态测试数据进行结构损伤评估的算法，该算法分两步进行结构的损伤评估。首先，用两种方法进行损伤位置的判定，它们的一个显著特点是不需要大量的结构信息来建立相应的结构整体数值模型，第一种方法采用了摄动解法，在鉴别损伤位置时不需用总体刚度矩阵与质量矩阵；第二种方法鉴别过程中只用到质量矩阵，而后，利用二次规划最优化模型进行损伤程度的计算，文章最后用数值算例检验了上述方法的效率。     

双最小二乘法在结构振动模态参数时域识别中的应用

本文编制了模态参数时域识别的双最小二乘法程序,并进行了模拟试验。试验结果表明:使用双最小二乘法识别阻尼系数优于使用单最小二乘法,同时振型和固有频率的识别精度不会降低。利用某动平衡试验装置前端转子系统的横向振动的自由响应数据,对横向振动的固有频率、振型和阻尼系数进行了识别。得出的固有频率值与振动自由响应的谱分析得到的固有频率值极为接近。     

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。     

利用模态试验参数识别结构损伤的神经网络法

利用结构位移模态试验和应变模态试验参数和神经网络方法对结构损伤定位和定量辨识问题进行了研究。为获得对结构损伤更加敏感的结构损伤识别指标,在分析现有识别指标的基础上,提出了用于神经网络方法的六种基于结构模态试验参数的损伤识别指标,并对它们进行了实例识别和比较研究。它们均能对结构的损伤进行预报,其中应变类型的损伤识别指标对结构损伤的敏感度比位移类型的损伤识别指标高。     

噪声影响下基于改进损伤识别因子和遗传算法的结构损伤识别

提出了一种考虑噪声影响的基于改进损伤识别因子和遗传算法的结构损伤识别方法。首先,介绍了结构损伤识别的参数化思想,并提出了一种考虑不同模态信息和权重系数的损伤识别因子。然后,在选择算子、交叉算子、变异算子以及自适应交叉和变异等方面对遗传算法进行了改进,并在无噪声情况下,对一简支梁和连续梁进行了损伤识别,识别效果非常好,验证了方法的正确性和有效性。随后,分别考虑了随机噪声和高斯白噪声对简支梁进行损伤识别,发现该方法在噪声水平不是很高的情况下,识别效果很好。最后,在一钢框架基准有限元模型基础上,考虑了四种损伤工况进行了损伤识别,识别结果较好,该方法能够很好地应用于结构的损伤识别和健康监测。     

基于边界模态的结构密封胶损伤识别实验研究

根据隐框玻璃幕墙面板单元结构密封胶损伤位于面板单元边界的特点,提出基于边界模态构建平均边界模态保证准则、平均边界曲率模态差变化率和平均边界模态应变能变化率3个新的损伤指标进行损伤识别。然后,进行一个长2.06 m、宽1.46 m的隐框面板单元的模态试验,研究边界模态损伤指标及固有频率、传统模态保障准则随损伤程度的变化规律。试验研究结果表明：当结构密封胶损伤程度小于5%时,前6阶固有频率和传统模态保证准则难以进行结构密封胶的局部损伤识别;当结构密封胶损伤1%时,所提三个基于边界模态的损伤指标均大于9%,且随着损伤的增大而增大,均能有效识别损伤,其中平均边界曲率模态差变化率在损伤边的变化大于未损伤边,可进一步用于损伤边的识别。     

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。     

钢筋混凝土空间网格结构曲率模态曲面拟合损伤识别研究

本文介绍了钢筋混凝土空间网格结构的体系组成及构造特点;提出了曲率模态曲面拟合损伤识别理论,定义了曲率模态曲面拟合损伤指标CMSFDIi和平均曲率模态曲面拟合损伤指标CMSFDIiA,通过曲率模态与曲面拟合值的差异进行损伤定位,方法仅需利用从损伤结构获得的实测数据即可进行结构损伤识别,无需利用完好结构的基本信息和理论模型;最后通过钢筋混凝土正交正放空腹网架结构实例,验证了方法的有效性。计算结果表明,本文方法不仅可以识别单位置损伤还可以识别多位置损伤,对钢筋混凝土空间网格结构的损伤识别和健康监测是可行的。     

基于振动的结构损伤识别方法研究进展

对近几十年来基于振动的结构损伤识别方法进行了归纳和总结,重点阐述了无模型的损伤识别方法和损伤识别的模型修正法,对损伤识别的神经网络法、小波分析法和时域法等也作了一定程度的介绍。分析了各种方法的优点和不足之处,讨论了基于振动的损伤识别技术存在的主要问题,并对进一步的研究方向作了展望。     

基于频率响应的不同结构损伤识别方法研究

为了解决结构损伤中的刚度和质量识别问题,将测量的响应位移应用于结构的损伤识别中,并提出了多频率激励损伤识别方法和改进的单频率激励损伤识别方法。对于多频率激励情况,首先分析了结构损伤的基本理论,然后推导了其刚度损伤指标和质量损伤指标的识别公式;对于单频率激励情况,则首先根据结构的刚度特性和质量特性确定结构损伤的简化定位方法,在此基础上提出了其相应的迭代改进策略,以提高识别的精度。数值仿真结果表明:对于刚度影响占主导地位的桁架结构,多频率激励法对于刚度损伤的识别效果较好,对于质量损伤的识别效果较差;而采用改进的单频率激励识别策略,则可以更好的识别出刚度和质量的损伤,其识别结果优于多频率识别法和简化单频率识别法。     

材料损伤开裂的数值模拟方法

针对数值模拟材料损伤开裂的现有方法——空单元技术和嵌入过程区中结点力释放方法,提出了释放空单元内结点力的新模拟方法,既可解决原有空单元技术未曾明确的残余应力的释放问题,又可避免采用嵌入过程区方法时所引入的大量重叠结点。己有算例表明,本方法具有模型简明,操作便利的特点。     

基于损伤敏感指标的斜拉桥结构损伤定位研究

研究斜拉桥结构的损伤位置识别问题。首先根据斜拉桥结构的受力特点,将其视为由斜拉索、主梁以及索塔组成的组合结构,对于斜拉索和主梁分别提出了广义模态应变能指标、位移灰关联指标以及索力变异指标等多种损伤敏感指标,并就观测噪声水平和损伤程度耦合影响下各损伤敏感指标的定位效果进行了系统研究。为提高存在观测噪声条件下损伤识别的可靠性和准确性,将证据理论引入损伤位置判别的决策过程,提出了基于多源损伤证据的损伤定位方法,实现了基于多源损伤信息的损伤定位。通过算例验证了所提出方法的有效性和优越性。     

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。     

基于极大似然估计的多参考点模态参数识别方法

在考虑随机噪声的情况下,实现了一种基于极大似然估计的多参考点频域模态参数识别方法。该方法采用频响函数的右矩阵分式模型,通过噪声的协方差矩阵对误差向量加权,使用离散时间域中基函数改善数值求解性态。模态参数的估计过程分为两步：首先由基于最小二乘估计的polyLSCF算法获取迭代初值,然后通过Gauss-Newton方法对极大似然函数进行迭代优化,得到精度更高的模态参数识别结果。采用GARTEUR仿真算例对所给出的方法进行了验证,结果表明：在高噪声情况下,利用噪声信息的极大似然估计方法能够显著提高模态参数的识别精度,特别是阻尼的识别精度。     

环境激励下结构损伤识别的综合指标法试验研究

结构损伤识别是结构健康监测和结构状态评估的主要前提之一。尽早了解结构的损伤状况和损伤位置有助于提高结构的预期可靠性和安全性,同时降低了结构的维修费用。论文主要研究了如何在环境激励下识别结构的损伤状况。基于曲率模态对结构局部损伤比较敏感和频率指标测试简单方便、精度高的特点,提出了一种以结构的曲率模态为基础,综合考虑频率变...     

基于数据融合的结构损伤识别方法研究

为提高结构损伤识别的准确率,在大型复杂土木工程结构的健康监测中引入多传感器数据融合技术,提出了基于数据融合技术的结构损伤识别方法的实用模型,建立了结构损伤识别方法的评价指标,并通过钢筋混凝土板试验分析了常用的数据融合方法——Bayes方法和D-S证据理论的有效性。分析结果表明:采用数据融合技术,结构损伤识别方法的评价指数更高,即结构损伤识别的效果更好。     

不同信息融合方法在结构损伤识别上的应用和分析

在工程结构的损伤探测领域,不同的信息融合方法和方式对结构的损伤敏感程度以及计算的复杂程度往往不同,而且适用条件也不同。为了解决以上问题,描述了基于结构损伤识别的功能信息融合模型,并在此基础之上采用了多种融合方法进行了数值仿真和分析。数值仿真结果表明,采用了信息融合技术的结构多损伤位置识别,可以产生比单一信息源更精确、更完全的估计和判决,而且不同的信息融合算法的应用往往取决于研究对象和实际条件的要求。