基于模态参数灵敏度分析的结构损伤识别研究

结构损伤通常以结构中刚度损失为特征。结构的损伤会引起结构参数的改变,结构参数变化会导致结构模态参数(固有频率、振型)的变化,因此寻求结构损伤与结构模态参数之间的关系十分重要。文中根据结构振动特征方程,推导了结构模态参数对结构参数改变的灵敏度表达式,建立了结构模态参数对以单元刚度为特征的结构损伤识别关系式,识别结构损伤的位置和损伤程度。文中制作了无损伤、有损伤3根悬臂梁钢板试件,测取试件结构固有频率与振型,根据无损伤试件结构图,建立了有限元模型,计算其结构固有频率与振型。将无损伤试件测得的模态参数作为有限元模型修正依据,并用两种损伤条件下测得的数据修正无损伤的有限元模型,将单元刚度作为修正参数,应用灵敏度方法来识别悬臂梁钢板试件损伤的位置和程度,其结果与实际基本一致,证明了方法的有效性。     

基于应变能量分布变化的大跨桥损伤识别

为满足结构在线健康监测大量数据快速计算的要求,以测试的应变信号为基础,探究结构在不同输入下的损伤识别方法.该方法在传统的以曲率模态为基础的能量损伤指标理论上,提出基于应变能量分布变化的损伤指标法(DIM),通过损伤前后结构的响应求出结构各单元的相对应变比能,获得各单元的DIM,进而根据其峰值位置和大小判别结构损伤位置与损伤度.采用该方法对一大跨斜拉桥进行数值分析,结果表明,该方法能够准确地识别出结构的损伤位置,且对结构在损伤前后受不同激励作用的情况均有效,抗噪声污染能力较强.     

模态应变能在复合材料机翼结构损伤检测中的应用

以复合材料机翼结构为研究对象，采用单元模态应变能改变率作为结构损伤标识量，对损伤结构进行损伤识别仿真。应用NASTRAN有限元程序对模型进行模态分析，模态分析的结果表明，单元模态应变能改变率对不同位置和不同程度损伤都具有较强的敏感性。应用神经网络成功识别了损伤的位置和程度，指出其可行性。     

基于应变模态差的管道损伤识别仿真

对具有一定程度损伤的管道,常规的结构有限元分析或实验模态分析得到的位移模态和固有频率难以有效反映管道的损伤状况.为了提高诊断的有效性及可靠性,采用结构损伤前、后的单元应变模态差作为管道损伤定位的识别指标.利用有限元分析软件Ansys对同一单元不同程度损伤、同程度多损伤的管道进行数值模拟分析,提取不同状况下的应变模态分别与正常状况下的应变模态进行差值分析.结果表明,应变模态差的方法能够较好地对管道的单损伤和多损伤位置进行识别.     

等高线法的桥式起重机主梁损伤识别

起重机金属结构在长期使用下形成的疲劳损伤对起重机的安全生产造成严重影响。基于ANSYS有限元分析软件,建立了桥式起重机金属结构有限元模型,并对结构主梁进行了不同损伤情况下的模态分析,根据起重机主梁在不同损伤工况下的同阶及不同阶模态频率的不同,使用前三阶模态频率结合等高线相交理论方法,直观、定量地得到起重机主梁裂纹存在的位置和裂纹的损伤程度,并通过数值仿真案例验证了该方法的有效性。     

基于激励点优化和信号能量的结构损伤识别

为了有效激发结构的局部振动模态,分析响应信息并进行损伤识别,构建了一种基于激励点优化和不同损伤状态下信号能量的结构损伤识别方法.首先建立结构动力学模型,计算模态振型;再以MAC矩阵非对角元素最小值作为适应度函数,采用改进粒子群算法(MPSO)优化激励点数量和位置,以MAC非对角元平均值和均方根(RMS)准则评价不同激励点布置方案;然后激励桁架试验模型对应的位置,再计算损伤前后测点处时域信号的能量,从而根据其相对变化识别结构的损伤位置和损伤程度.另外对不同损伤的信号加入信噪比为10 dB的高斯白噪声后,该方法仍能够识别结构的损伤位置和程度,试验结果验证了此方法的可行性.     

基于模态柔度与有限元模型修正的海洋平台结构损伤识别研究

结构模态特征的改变直接揭示了结构的损伤,基于模态柔度较频率、振型对结构损伤的识别更为敏感的特点,文中提出了一种基于模态柔度和有限元模型修正相结合的结构损伤识别方法.文中以某海上导管架平台为例,在设定的3个损伤样本下建立了导管架21-DOF测试模型,获得该模型低阶结构模态参数,通过模态柔度差的方法进行结构损伤层定位;然后通过21-DOF测试模型与2454-DOF导管架有限元模型的自由度匹配,采用贝叶斯的有限元模型修正方法,对某导管架结构损伤层中具体损伤杆件的损伤程度、损伤位置进行识别.其识别结果与原设定的3个损伤样本基本一致,表明了该方法的正确性和有效性,可应用于海上导管架结构损伤检测与评价.     

基于有限元的损伤结构功率流可视化研究

基于有限元法对裂纹损伤结构的功率流进行可视化研究.引入结构声强的概念,给出有限元壳单元和实体单元中结构声强的表达式.给出流线可视化的概念,并应用到结构声强流线的可视化中.利用1/4点单元法来模拟裂纹,计算得到了裂纹结构在不同裂纹参数和不同激励频率下的位移响应矢量图、声强矢量图和流线图.实现了结构表面能量分布、传播以及在裂纹位置周围的分布的可视化,为掌握振动能量在损伤结构的分布、损伤的识别提供了新的手段.     

汽车车架有限元分析模型的改进

为改进传统车架结构有限元分析中梁模型的缺陷,提出了一种用梁单元和用壳单元离散的节点单元新模型.在一次计算中能得到节点细部应力分布特征和梁截面设计所需要的截面内力.计算结果证明了新有限元模型理论上的正确性和对工程的实际意义.     

专用铁路桥梁服役性能及汽车撞击动力响应

以某厂矿专用铁路线桥梁为研究背景,基于静载试验考核桥梁结构的强度和刚度,评定其在设计活载作用下的承载能力;基于动载试验测试了桥梁结构的动力特性参数,评定其服役性能是否符合安全运营性要求;对废渣罐车扩容增重后桥跨主梁在主力、主力+附加力组合作用下,破坏阶段构件承载力安全系数和结构抗裂性进行详细检算;考虑车辆撞击对桥梁的危害,通过有限元分析软件MIDAS-Civil建模计算,分析了不同碰撞力持时作用下主梁跨中位置的动力响应.研究结果表明:桥梁承载能力满足设计荷载的使用要求,动力性能较好,运营性能满足现行规范要求,轴重增加后结构强度和抗裂性不满足要求,汽车撞击对桥梁动力响应有一定影响.     

斜拉索索力测试及评价方法研究

斜拉桥是利用斜拉索把桥跨结构的恒载和承受的活载传递到塔柱上,斜拉索索力的大小对整个桥梁结构受力的合理性和主梁线形起着决定性的作用,因此对斜拉索的索力进行测试及评价对斜拉桥的安全运营十分必要。基于两端张紧弦模型,明确了基于频率法测试斜拉索索力的基本原理及过程。基于测试到的索力数据,提出了一种采用灰色关联度方法对全桥索力进行评价的方法。最后以一座斜拉桥的索力测试为工程依托,验证了方法的可行性和有效性。     

弹性连接失效对大跨斜拉桥地震响应影响

首先,以附加弹性连接(elastic connection,简称EC)的线性单自由度(single degree of freedom,简称SDOF)系统为例,研究弹性连接的失效对系统动力时域响应的影响;其次,以一座半漂浮体系的大跨斜拉桥在两组地震作用下的地震响应为例,研究塔(墩)梁间弹性连接失效对大跨斜拉桥结构地震响应的影响。研究表明:弹性连接失效对大跨桥梁动力响应存在重要影响,动力响应存在明显差异;考虑弹性连接失效后,如果在地震中弹性连接出现失效,大跨斜拉桥加劲梁地震内力明显小于未考虑弹性连接失效的情况,但加劲梁和塔顶纵桥向位移会有所增加;应当设置合理的弹性连接及其失效限值,保护主体结构在地震中的安全。     

建立斜拉桥基准有限元模型的新方法与实现

在进行斜拉桥监测与检测研究时,为了建立准确而可靠的基准有限元模型,使其索力、位移等趋于监测或检测结果,需进行模型修正工作,但各种模型修正方法多数需要进行迭代运算,不仅计算工作量巨大,而且有时难以实现预期目标。针对这一问题,提出了一种使用Ansys与Matlab软件,利用影响矩阵和优化算法相结合进行模型修正的新方法。该方法不需要迭代,可获得索力、位移等参数,且与实测值相吻合。通过实例对该方法进行了验证,证明了该方法可行并易于实现。     

Modal parameter identification of stay cables from output-only measurements

Stay cables are one of the most critical structural components in modern cable-stayed bridges and the cable tension plays an important role in the construction, control and monitoring of cable-stayed bridges. We propose a time domain and a time-frequency domain approaches for modal parameter identification of stay cables using output-only measurements. The time domain approach uses the subspace algorithm which is improved with a new modal coherence indicator. The time-frequency approach uses the wavelet transform of signals which is improved with a new analyzing wavelet. The wavelet transform is applied to the free response of ambient vibration which is obtained using the random decrement technique. Two experiments of stay cables are presented. The first experiment concerns a stay cable in laboratory where the external load is applied through an impact hammer and the vibratory signals are acquired through four accelerometers. The second experiment concerns the Jinma cable-stayed bridge that connects Guangzhou and Zhaoqing in China. It is a single tower, double row cable-stayed bridge supported by 112 stay cables. Ambient vibration of each stay cable is carried out using accelerometers. From output-only measurements, the modal parameters of stay cables are extracted. Once the eigenfrequencies and the damping coefficients are obtained, the cable forces and the Scruton number are derived. In a continuous monitoring and modal analysis process, the tension forces and Scruton numbers could be used to assess the health of stay cables in cable-stayed bridges.     

PVDF传感器实现斜拉桥桥索张力在线监测

斜拉索是斜拉桥的主要承载部件，斜拉桥桥跨结构的重量和桥上活载绝大部分或全部通过斜拉索传递到索塔上，实时监测分布于大桥上的桥索张力变化，对于了解斜拉桥的健康状态，确保斜拉桥的安全是至关重要的。采用聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride）通过监测应变得到拉索的振动信号，计算出拉索的张力，实现斜拉索张力的在线测量。     

跨铁路宁波东站桥梁顶推施工的导梁设计

在桥梁顶推中,导梁起到减小主梁内力和增大顶推跨度的作用,导梁配置对整个顶推施工有着重要的意义．针对跨铁路宁波东站的顶推施工介绍了一种导梁设计方法,通过建立导梁的力学模型,采用计算机软件进行集成结构分析,求解出导梁和钢箱梁最大的应力及变形,确定其是否满足结构受力要求．同时针对钢箱梁与导梁连接时不能平稳滑过临时墩的问题采用了在导梁底部“挂拆”板的方法,为顶推施工中导梁的设计方法提供了一定的参考．     

基于倒塌分析的连续梁桥地震损伤评估方法

为了掌握钢筋混凝土连续梁桥在地震作用下从完好到倒塌的破坏历程,首先,基于振动台试验研究对两跨连续梁桥模型进行倒塌仿真分析;其次,建立结构层次的单一倒塌准则;最后,根据影响结构倒塌的关键构件提出两跨连续梁桥地震损伤的整体评价指标D和破坏等级划分标准。结果表明:提出的能量比指标可以有效识别出地震损伤时刻甚至倒塌时刻,当能量比小于能量比限值时即可判定进入倒塌阶段;纵向地震动作用下中墩墩柱和固定支座是关键受力构件;基于关键构件提出的两跨连续梁桥地震损伤整体评价指标D可对不同损伤程度的两跨连续梁模型桥进行评估,该评价体系也可为同类桥型的地震损伤评估和抗震加固提供参考。     

Finite element model updating based on eigenvalue and strain energy residuals using multiobjective optimisation technique

The numerical results from a finite element (FE) model often differ from the experimental results of real structures. FE model updating is often required to identify and correct the uncertain parameters of FE model and is usually posed as an optimisation problem. Setting up of an objective function, selecting updating parameters and using robust optimisation algorithm are three crucial steps in FE model updating. In this paper, a multiobjective optimisation technique is used to extremise two objective functions simultaneously which overcomes the difficulty of weighing the individual objective function of more objectives in conventional FE model updating procedure. Eigenfrequency residual and modal strain energy residual are used as two objective functions of the multiobjective optimisation. Only few updating parameters are selected on the basis of the prior knowledge of the dynamic behaviours of the structure and eigenfrequency sensitivity study. The proposed FE model updating procedure is first applied to the simulated simply supported beam. This case study shows that the methodology is robust with an effective detection of assumed damaged elements. The procedure is then successfully applied to the updating of a precast continuous box girder bridge that was tested on field under operational conditions.     

桥式起重机桥架结构参数优化

介绍了基于系统分析的双梁桥式起重机桥架结构优化设计方法。在对主、端梁进行全面受力分析的基础上建立了桥式起重机桥架结构的优化数学模型，采用MATLAB进行优化处理，最终得到满意的结果。