基于灵敏度的平板结构多类型传感器优化布置

多类型传感器信息融合的损伤诊断是结构健康监测领域的一个热点方向,并且基于多种类型传感器信息融合的损伤识别技术必然依赖于考虑多传感器信息互补的传感器优化布置技术。因此,该文以灵敏度分析为理论基础,以结构损伤识别为目标,对于监测平板结构的加速度传感器、光纤光栅(FBG)应变传感器以及压电陶瓷(PZT)传感器三种类型传感器的位置与数目进行优化。分别考虑环境噪声、边界效应等因素,用灵敏度计算比较不同类型传感器(包括加速度传感器、FBG应变传感器和PZT传感器)达到相同损伤识别效果所需数目,分析各类型传感器对结构损伤敏感的布置位置,并研究能达到识别结构任意位置一定程度损伤所需多类型传感器总和最小的数目。最后,进行平板结构模型仿真分析,验证该方法有效性和可靠性。     

改进模态应变能法在混凝土组合箱梁桥损伤诊断中的应用

为提高结构损伤识别方法的准确性和对噪声的鲁棒性,将多源信息融合技术引入到结构损伤识别方法中。针对模态应变能法诊断结构损伤一般需要完备模态的特点,采用信息融合技术对各阶模态应变能进行融合,建立了基于信息融合的改进的模态应变能法。通过对一座预应力混凝土组合箱梁桥损伤识别数值算例的分析,可以看出该方法具有良好的损伤敏感性,仅需要较少的低阶模态就可识别结构的早期损伤;同时,该方法具有噪声鲁棒性,当加入噪声等于或小于10%时可以准确识别结构的早期损伤。因此该文提出的基于信息融合的改进的模态应变能法具有较好的工程实用性。     

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。     

基于应变模态响应重构的损伤识别方法EI北大核心CSCD

土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义,也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数,或者需要准确获取结构外部载荷信息,极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性,该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中,提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型,以损伤结构测量的信号输入,通过基于经验模态分解的应变重构方法,可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据,通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算,求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息,通过高效的时域应变重构,能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性,开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究,探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响,结果表明,该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤,对测量噪声具有较强的鲁棒性。     

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。     

基于应变响应统计特征的海洋立管损伤诊断方法

考虑海洋立管的实际服役环境和现有监测技术水平,发展一种基于应变响应统计特征的损伤诊断方法。推导以应变测量单元为基础的细长梁式结构应变响应与结构模态参数的映射关系,提出连续测试数据的均方根应变作为海洋立管的损伤特征参量。针对损伤程度较小或量测噪声影响较大可能引起的损伤误判,根据小波多分辨率分析理论,利用小波去噪和分解处理该损伤特征参量的空间域数据,进而实现准确地损伤定位。在此基础上,进行了某张力腿式平台顶部张紧式立管的数值模拟;依据损伤诊断策略对假定布设应变传感器的上部500个应变测量单元分析得到上述损伤特征参量。结果表明:该方法对立管局部刚度下降进行了有效的识别,对单、多处损伤的损伤判别和定位的效果良好,损伤诊断效果受量测噪声以及服役工况和顶张力等因素变化的影响较小,可为相关工程结构健康监测提供理论和技术支持。     

信噪比对海洋平台整体损伤检测影响

以海洋平台结构整体损伤检测中的测量噪声作为研究对象,提出损伤单元模态影响系数的概念。通过一系列冲击激励的物理模型试验,采用基于局部测量的模态应变能法,分析振动信号信噪比和损伤单元模态影响系数对损伤检测的影响规律。试验结果表明当模态影响系数较大(大于5)时,用很小的信噪比数据就可以准确识别出损伤单元位置和损伤程度;当系数较小(小于0.5)时,用最大的信噪比数据也无法准确识别;当系数为临界值(0.9～1.5)时,信噪比对结果影响较大,只有信噪比较大(大于20)时,才能准确识别损伤位置,当信噪比小到一定值(小于10)时,损伤定位和损伤程度评估均无法实现。     

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。     

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。     

大桥受船撞击灾害的计算机评价方法

本文提出了一种对撞桥灾害进行评价的计算机方法。首先用非线性有限元法计算由于船撞引起的桥体局部损伤分布,局部损伤用材料损伤在该处的密度表示,材料损伤是塑性应变和塑性应变率的函数,在桥体材料模型中加以反映,通过对有限元计算出的桥体局部损伤数据、现场测量数据和大桥以往累积损伤数据进行分析,利用专家知识库确定大桥目前整体损伤指标,用整体损伤指标表示大桥当前的安全状态,如果整体损伤指标超过给定临界值,则大桥退役或需要进行大的安全防护措施,否则,大桥可以继续服役,但需对其在未来如船撞、地震等可能灾害作用下的安全性能进行预测,如果预测出的安全性偏低,则需要对大桥提前进行维修。用所提出的方法对清江高坝大桥船撞灾害的实例进行了应用,验证了方法的有效性。     

利用振动响应协方差参数和数据融合的损伤识别方法

使用结构加速度响应协方差和应变响应协方差参数以及基于贝叶斯估计的数据融合理论进行结构损伤判定和损伤位置识别,理论推导证明响应协方差参数是结构模态参数的函数,结构损伤会导致响应协方差参数的改变,当只使用结构损伤前后的响应协方差参数,不使用结构分析模型进行结构损伤识别时,损伤向量会受到激励位置、测试噪声和误差等的影响,所以使用贝叶斯数据融合理论,对来自多种传感器和多种测试环境下得到的多组损伤向量进行数据融合,以提高损伤识别的精度;利用一个七层框架结构进行包括单损伤和多损伤的多种损伤工况的数值模拟,研究所提方法的适用性和有效性,最后对简支钢梁进行实验验证,损伤位置附近的传感器所得到的损伤指标具有最大的损伤概率。     

联合整体和局部动态信息的空间桁架模型修正试验

由于土木工程结构的复杂性、传感器测点的有限性以及局部损伤的不敏感性等问题,大型结构的模型修正存在一定困难。针对空间桁架结构,为克服上述问题,对其进行整体和局部的动力测试试验,然后联合实测的结构整体和局部动态信息进行模型修正：首先进行空间桁架整体的动力测试试验,获得反应整体特性的低阶模态;然后为了提高局部杆件的动态特性,在杆件上附加一定质量,获得附加质量后杆件的局部主频率,并在各类杆件中选取一定数目进行动态测试;最后联合所有实测结构整体的低阶模态和杆件的局部主频率,对空间桁架结构进行模型修正。修正后的模态参数与实测模态吻合良好,验证了方法的有效性。     

基于多传感器信息融合的结构损伤识别研究

针对结构健康监测系统中的传感器数量多、数据信息复杂的特点，从模式识别和局部控制、全局参与的思想出发，提出了多传感器信息融合方法对结构损伤进行识别。首先应用小波包变换对结构振动测试数据进行特征提取，通过不同传感器特征向量的合成完成数据层融合；然后建立三个耦合神经网络分别实现结构损伤的确认、定位及定量，并完成决策层的信息融合；最后进行了36个损伤工况的结构模型实验研究，验证了所提出的方法是可行的和有效的。从实验验证的结果来看，对损伤率在7．5％以上的结构，损伤识别精度较高；对于损伤确认和损伤定位，识别精度较高，而对于损伤程度识别有一定偏差。     

数据驱动下孪生贝叶斯理论非齐次泊松过程的结构损伤评估方法

以结构件裂纹扩展过程中的损伤状态评估为研究对象,提出了一种孪生贝叶斯理论非齐次泊松过程的结构损伤评估方法。首先,结合基于裂尖场能量的可靠度序化策略与非齐次泊松过程,运用贝叶斯理论对试验信息及总体过程参数的渐进关系进行组合,获得过程参数先验分布。同时,基于裂尖场能量递进因子与似然函数的概念,通过先验信息、序化策略及后验信息的组合,建立了孪生贝叶斯理论非齐次泊松过程的参数后验分布模型。最后以典型结构为例,结合声发射检测到的裂纹扩展数据对提出方法的可行性进行验证,并将预测结果与独立的试验结果进行比较。结果表明,提出方法的平均预测精度为92.1%,可以实现通过少量试验信息完成不同初始损伤状态下结构件损伤状态评估的目的。     

一种隔离损伤的桁架结构性态识别方法

结构损伤的准确识别是结构健康监测的重要内容,由于识别的模型需要实时修正,使得结构整体刚度矩阵的更新和分解往往占用大量时间。该文基于隔离非线性理论,提出了一种隔离损伤的桁架结构性态识别方法。该方法将截面的应变分解成弹性应变和损伤应变,从截面刚度退化角度定义材料损伤,将表征损伤的刚度矩阵从整体矩阵中隔离出来,实现模型中损伤隔离,在迭代计算时避免了结构整体刚度矩阵的实时更新和分解,只需对规模较小表征损伤的刚度矩阵进行更新和分解,提高了损伤识别的求解效率。最后,以某实际钢桁架桥为例,对其主桁弦杆的损伤识别进行了数值模拟研究,设计了两种静力荷载工况对该方法进行验证。结果表明:当桁架结构发生局部损伤时,该方法可以准确高效地识别出发生损伤的位置和程度。     

基于应变模态分析的桁架结构损伤检测

选用桁架结构作为研究对象,应用应变模态分析方法对桁架结构的损伤进行检测。由位移模态振型推导应变模态进而用应变模态差值作为桁架结构损伤检测指标,提出了一种基于3σ准则的损伤阈值。通过应变模态差值与损伤阈值的对比来判别损伤有无并对损伤进行定位,用损伤前后应变差值的突变大小来初步确定桁架结构的损伤程度。对一具体桁架结构的单处和多处不同程度损伤工况,结合有限元软件进行了数值模拟。实际桁架的损伤检测实验验证了该方法的有效性。     

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。