基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进展

对目前关于结构振动损伤识别技术的基本方法、研究现状及进展进行了回顾与总结。对基于结构振动响应和系统动态特性参数进行损伤识别方法的特点进行了简单的评述，介绍了智能诊断方法在损伤识别中的应用，并提出了结构损伤识别的发展趋势和研究方向。     

基于移动附加质量的损伤诊断技术

基于结构固有频率的损伤诊断技术能够识别结构的损伤程度,但是识别损伤位置较为困难。结合环境激励模态试验方法和动力修改理论,提出了基于移动附加质量的损伤识别技术。通过对损伤与完好结构施加系列已知附加质量,根据损伤与完好结构施加附加质量后的固有频率识别结构损伤。计算结果表明,当频率满足识别精度要求时,该方法能够较准确地识别损伤结构的损伤位置。     

自由度匹配技术在网壳结构损伤识别应用中的比较研究

测试自由度与有限元模型自由度不匹配是损伤识别技术应用于实际工程的最大障碍，动力模型缩聚和特征向量扩充技术是解决这一问题的主要手段。提出了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，对几种模型缩聚技术和特征向量扩充技术在网壳结构损伤识别应用中的可行性、优缺点及适用范围进行了比较研究。通过单层短程线网壳结构模型的数值模拟，同时考虑测试噪声影响，实现了测试信息不完备情况下的网壳结构损伤识别。结果表明，本文所提出的损伤识别算法可以识别出网壳结构的单位置刚度损伤，而且利用Guyan静态缩聚法和Guyan扩充法进行自由度匹配后的损伤识别结果非常准确，它们是网壳结构损伤识别应用中模型自由度匹配的最佳选择。     

高层剪切型结构的参数识别与损伤检测

本文首先提出了一种基于结构测量响应和神经网络技术进行结构参数识别的方法,然后根据剪切型结构的特点,提出了该类结构的参数识别策略与损伤检测方法,即根据需要可一次或分次识别结构的所有参数,并通过对比不同时期识别的结构刚度值,进行结构损伤判别及识别损伤位置与损伤程度,仿真计算结果表明,即使测量响应存在较高的随机噪声,本文方法识别的结构刚度值仍具有很高的精度,并能准确实现结构损伤判别与定位,显示了该方法用于实际工程结构损伤检测的潜力。     

工程结构损伤的集成神经网络识别研究

从结构损伤识别的实际出发，提出采用基于信息融合理论的集成神经网络技术对结构损伤状况进行识别，即通过结构损伤特征信息的有效组合，用各种子神经网络从不同侧面对结构损伤进行初步识别诊断，然后对识别结果进行决策融合。给出了系统的实现策略和子网络的组建原则。从识别实例中可以看出，此识别方法充分利用了各种特征信息，可以有效地提高识别率。     

基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用

结构材料早期的微小损伤若未及时发现,会不断改变结构的强度与刚度,引发结构的累计损伤,从而导致结构的突发性失效,因此,及时准确地识别结构材料早期微弱和潜在的损伤具有重要的理论与应用价值。观察结构内部真实裂纹的产生、传播以及确定内部任意位置的微观应力场一直是土木工程领域一个难题。论文利用压电陶瓷电机耦合阻抗(PZT)对结构微小损伤敏感、对外界环境影响免疫力强等特点,研究基于PZT监测信号的混凝土/钢结构微损伤的识别技术,为混凝土/钢结构健康评估提供准确与可靠的依据。介绍了作者所在课题组在利用PZT阻抗方法进行混凝土/钢结构微损伤识别方面的主要研究成果,并指出了该领域存在的困难和需要解决的主要问题。     

基于参数识别的结构损伤概率诊断方法

为解决观测噪声等不确定性因素影响下确定性损伤识别方法的损伤误判问题,提出了结构损伤识别的概率可靠度法。通过正则化修正改善参数识别问题的不适定性,利用数据摄动和蒙特卡罗法研究观测噪声对参数识别结果的影响并获得各待识别参数的统计特征,在此基础上基于概率统计理论推导了损伤概率的计算公式。根据损伤识别试验验证了方法的有效性和准确性,分析并比较了概率可靠度法和确定性方法的损伤识别结果。试验研究表明,损伤识别的概率可靠度法能够显著改善传统确定性损伤识别方法的损伤误判问题。     

利用压电自传感驱动器进行裂纹钢梁损伤识别的实验研究

压电陶瓷是一种智能材料，可以在结构健康监测系统中同时用作传感器和驱动器。基于压电阻抗的损伤识别技术的基本原理，对裂纹钢梁进行了损伤识别和定位的实验研究。将三片压电陶瓷（PZT）粘贴在钢梁表面的不同部位作为驱动器和传感器，通过测量梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化来识别梁中的裂纹损伤。从导纳（阻抗的倒数）幅值谱曲线中提取裂纹梁的反谐振频率，通过比较各压电片位置的反谐振频率变化识别了裂纹位置；同时比较不同损伤工况下的反谐振频率变化定性地识别裂纹梁结构的损伤程度。     

基于D-S证据理论的结构多精度损伤识别结果融合方法

在结构的损伤检测中，由于传感器数目、测试噪声等因素，限制了结构损伤检测与识别的能力。不同的损伤识别方法在检测过程中识别的精度不同，使用单一的损伤检测识别方法所获得的信息是不全面的。将Dempster-Sharer证据理论应用于结构的损伤识别中，将各种识别不同精度的检测方法融合，使最终识别的结果更为可靠、精确。通过对钢梁结构损伤识别的模拟计算，验证了D—S证据理论在融合多种不同精度损伤识别方法中的有效性。     

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。     

基于振动响应时频分析的桅杆损伤识别方法

桅杆的模态参数和刚度对纤绳平衡张力、激励和环境条件比较敏感,导致目前比较有效的结构损伤识别方法和指标难以直接应用。为此,探索了基于测点振动响应时频分析而不依赖模态信息的桅杆结构损伤识别方法,提出利用结构测点振动响应的Wigner-Ville分布交叉项统计量WCS(WVD Cross-term Statistic),通过比较损伤前后统计量的相对变化量来进行损伤识别。算例分析结果表明,利用测点振动响应的损伤识别指标WCS相对变化量,除能识别杆身单个不同程度的损伤位置以及多个损伤外,还能分辩出纤绳的损伤特征。通过增大激励的幅值和增加测点的数量,可以提高识别的精度和指标的灵敏度;基于测点位移响应与基于测点加速度响应的损伤识别指标相比,具有更好的损伤识别效果。     

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。     

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。     

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。     

连续梁结构损伤识别的改进柔度阵方法

传统柔度阵方法难以指示多跨连续梁这样一些复杂连续体结构在支撑处的损伤,提出以结构柔度阵某些自由度对应的对角元素的变化率作为损伤指示函数,对多跨连续梁结构进行更为有效的损伤识别。识别的机理是利用损伤指示函数对于单元损伤因子灵敏度矩阵的对角占优特性,产生对损伤因子分布的“覆盖效应”,从而反映出结构损伤的状态特征。文中给出有关计算公式,进行了数值模拟并比较几种状态的损伤识别结果,显示了本文方法的合理性。     

基于有限元模型修正的土木结构损伤识别方法

基于有限元模型修正的结构损伤识别方法计算过程直观、物理意义明确,能同步识别结构损伤位置和损伤程度,是结构损伤评估最直接的依据。该文介绍了基于有限元模型修正的损伤识别方法基本原理与过程,总结近三十年来有限元模型修正技术的发展。土木工程结构模型复杂性(包含大量单元、节点、待修正参数等)导致有限元模型修正过程效率低,详细介绍了基于子结构有限元模型修正的土木工程损伤识别方法在提高计算效率方面的优势。将两种有限元模型修正方法应用于一栋超高层建筑数值模型的损伤识别,说明两类方法在土木结构损伤识别中的特点。土木工程尺度大而结构损伤通常发生在局部区域,子结构方法将整体结构的分析转换为对若干独立子结构的分析,通过少数局部子结构的模型修正实现损伤识别,避免重复分析大尺寸整体结构,为大型结构基于有限元模型修正的损伤识别开辟高精度和高效率的途径。     

考虑质量变化的空间拱结构小损伤识别方法研究

该研究针对空间拱结构损伤识别精度问题,提出了一种空间拱结构小损伤的动态识别方法。该方法在识别过程中考虑损伤区的质量变化的因素来提高了结构损伤识别的精度。在建立的空间拱结构损伤模型中,应用频率和振型的质量因子变化来表示损伤区质量的变化。应用Wittrick-Williams算法对损伤参数进行计算,根据计算结果来判定结构的损伤位置和程度。为了实现应用最少的测量模态和结构振动特性数据对结构损伤精确识别,建立了一个应用遗传算法的优化计算程序对损伤参数优化计算。在该优化程序中,应用初始的随机染色体群代表沿空间拱不同的损伤分布状况。通过对单一损伤、多个损伤区域和不同边界条件下空间拱进行损伤识别案例对所述方法进行验证,并分析解决了对称结构损伤定位唯一性的问题。结果表明,所提出的识别方法对空间拱结构的损伤具有较好的识别效果,所建立的损伤识别程序具有较高的识别精度。     

基于小波包能量曲率差法的桥梁损伤识别试验研究

针对各种损伤识别指标中,小波包能量曲率差法仅有数值仿真、未经试验验证,尤其缺少实际工程验证问题,用数值模拟验证该方法识别结构损伤的有效性;利用沧州子牙河新桥替换下的梁体,进行两种工况损伤模拟。通过测试完好与损伤状态各点加速度响应,用小波包能量曲率差法识别损伤,考察小波函数和分解层数对识别效果的影响。结果表明,该方法有效,并可应用于实际工程。     

Structural damage identification: influence of model incompleteness and errors

This paper presents a study of the influence of model incompleteness and errors in a structural damage identification technique based on modal data, leading to a set of linear equations. To deal with the incompleteness three methods are used: (1) dynamic and (2) static expansions of measured degrees of freedom and (3) replacement of unmeasured degrees of freedom by their undamaged counterparts. These methods are applied on damage identification of a laminated rectangular plate. The numerical tests show that the best accuracy is obtained with the dynamic expansion, followed by the static expansion and finally, the replacement of unmeasured degrees of freedom. It is also demonstrated that for small damage the errors are the main influence, whereas for large damage the incompleteness becomes the most important factor in the results. The identification of small and large damages is performed by deleting non-reliable equations, i.e., equations that contain large errors.     

柔度曲率法在输电塔损伤识别中的应用

在结构指纹识别方法中,基于柔度法的损伤识别方法能够较好地识别损伤所在位置及程度,在柔度法的基础上构建柔度曲率损伤识别指标及柔度矩阵曲率差损伤识别指标,并将其引入到输电塔结构损伤识别中。由于输电铁塔具有三个平动分量,所构建的两种损伤识别指标也具有三个方向分量,其在输电塔上的识别效果需要进一步分析。建立51 m酒杯型输电塔模型,分别采用两种指标对结构不同程度的单损伤及多损伤进行识别。研究结果表明,仅结构垂直方向分量的损伤识别指标能够识别结构损伤,但柔度曲率对于小损伤位置无法识别;柔度矩阵曲率差对小损伤位置也能较好地进行识别。