飞机加筋壁板紧固件松脱损伤检测的自相关分析方法

提出了一种基于自相关函数的损伤检测方法。首先证明归一化后的结构各测点加速度响应自相关函数零点值仅与结构的模态参数有关,然后利用其构造损伤指标用于结构损伤的定位。飞机加筋壁板紧固件松脱损伤的损伤检测实验表明,该方法只需要利用结构在一定带宽白噪声激励下的加速度响应就能准确定位加筋壁板紧固件的松脱损伤,适用于紧固件松脱损伤的实时检测。     

基于时域响应灵敏度分析的板结构损伤识别

提出了一种基于响应灵敏度分析的有限元模型修正法,对平板结构的局部损伤进行识别。在正问题研究中,将结构的局部损伤模拟为板结构单元杨氏模量的减少,建立了板结构的有限元动力学方程,利用直接积分法获得了结构强迫振动响应。在损伤识别反问题中,基于响应灵敏度分析,直接利用结构的动态响应进行有限元模型修正和损伤识别。算例表明,本文方法能有效识别板类结构的局部损伤,具有需要测点数目少,损伤识别精度高,对模拟的测量噪声不大敏感的优点。     

基于随机振动响应互相关函数的结构损伤识别试验分析

提出了基于结构振动响应互相关函数分析的损伤识别方法。通过八层剪切型钢框架结构模型在模拟白噪声随机激励作用下的试验分析,利用相邻测点响应的互相关函数幅值向量变化,构造损伤识别因子进行结构损伤判定、定位及程度量化,结果表明该方法对结构损伤的识别具有很好的简易性及有效性,并为结构在线监测和分散式检测提供方法参考。     

基于损伤存在概率成像方法的复合材料结构损伤识别

基于小波分析理论和概率统计原理,提出一种损伤存在概率成像方法,对复合材料结构进行在线的健康监测。首先对结构损伤前后Lamb信号进行比较,提取信号的能量特征差异系数,作为损伤指标;然后用概率统计方法判断该损伤指标是由损伤引起的还是因环境变化造成的;最后用成像算法给出存在概率图像识别损伤。对复合材料板结构进行实验验证该方法的可行性,具有一定的实际工程应用价值。     

基于振动响应内积向量和数据融合的结构损伤检测方法试验研究

提出了一种基于振动响应内积向量(Inner Product Vector, IPV)和数据融合的损伤检测方法,并进行了相应的验证试验研究。分别以随机信号和正弦信号对结构进行激励,利用加速度传感器采集结构的振动响应信号,计算结构的损伤指标,然后利用数据融合理论将结构各参考点下的损伤指标进行融合。损伤检测的验证试验结果表明,结合数据融合理论后,能够避免原始IPV方法中参考点选取对检测准确度的影响问题,并能准确进行损伤定位。两组不同激振信号的检测结果对比显示,数据融合对外激励为正弦信号的检测结果的准确度提升更为显著。     

基于双树复小波降噪和Katz分形维迹线融合的板类结构损伤检测

目前基于振动响应的板类结构损伤检测技术存在着噪声免疫力弱、对轻微损伤难以识别等困难。对此,提出一种对板振型进行双树复小波变换(DT-CWT)降噪和仿射变换预处理的Katz分形维迹线扫描融合的板结构损伤检测方法。该方法首先利用DT-CWT对原始实测板结构的振型信号进行降噪;然后将降噪后的振型沿板纵、横向离散分解为振型曲线;将分解后的振型曲线进行仿射变换,得到拉伸后的线型面图;对变换后的线型面图分别进行Katz分形维迹线扫描,得到沿板纵向和横向的分形维迹线曲面图,将二者取均值得到融合后的分形维迹线曲面图;此融合后的曲面图中的凸起预示了损伤的发生,凸起的位置、形状和尺寸反应了损伤所在的位置、形状和尺寸。通过两个模型试验证明了该方法对板结构损伤识别的有效性;对比分析说明了对振型进行DT-CWT降噪和仿射变换预处理的重要性。     

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。     

利用拓扑优化的结构微小损伤定位研究

以结构模态参数主要是结构共振频率和结构某点的反共振频率为基础,结合拓扑优化中的渐进结构优化法,讨论了其在微小损伤结构的损伤定位中应用的可行性。文章中给出了结构共振频率和反共振频率的灵敏度,建立了损伤定位的数学模型,提出了针对微小损伤结构的损伤区域逼近方法,并结合进化法提出了合适的进行损伤定位的策略。最后针对本文所提的微小损伤结构,给出了算例进行验证。算例表明,渐进结构优化法在结构整个区域寻找损伤点,即使对于微小的损伤结构也可以有很好的搜寻效果     

基于EMD和VARMA模型的结构损伤识别

提出了基于EMD和VARMA模型的结构损伤识别方法。该方法首先将结构反应信号用EMD方法分解成一系列固有模态函数,然后将固有模态函数表示为时变VARMA模型并用Kalman滤波方法估计时变VARMA参数,最后根据时变VARMA参数定义一个新的损伤指标用于结构损伤识别。为检验该指标的实际性能,算例中选用ImperialCounty Services Building和Van Nuys Hotel作为基准结构。通过其实测地震反应记录的分析表明:该指标在实际的量测环境和噪声条件下具有较好的敏感性和抗噪能力,可有效地识别结构多处损伤的发生过程和严重程度;由于该指标定义在反应信号特征提取的基础上,无需其他额外的信息,它可同时用于结构整体和局部两个层次损伤的识别;同时,该指标还适于实时(在线)的结构损伤识别或健康监测,因其直接由时变VARMA参数推导得出。最后,对后续研究工作进行了展望。     

考虑温度梯度的模态应变能法海洋平台损伤检测研究

针对导管架式海洋平台,研究了海水温度梯度对结构整体损伤检测方法之一的模态应变能法的影响。以一个导管架平台为模型,考虑温度对钢材弹性模量的影响,建立了该平台在模拟的海水温度梯度下的有限元模型。通过使用模态应变能法对该模型进行损伤检测,总结了温度梯度对基于模态应变能法的海洋平台损伤检测的影响规律。结果表明温度梯度会使该方法损伤定位能力变弱,对结构冗余度越大的构件影响越大;同时会使损伤程度识别精度降低,构件结构冗余度越大、损伤程度越小,影响越大。     

基于3/2维谱的螺栓松动非线性检测及定位

提出基于3/2维谱分析的螺栓松动非线性检测及定位方法,用多尺度法分析螺栓松动产生非线性相位耦合的机理,研究3/2维谱分析处理信号的过程并分析其识别非线性二次谐波原理,以铝板上螺栓结构为实验对象,利用粘贴在铝板表面的压电作动/传感元件进行实验,对结构响应信号进行3/2谱分析,有效判断螺栓的连接状态;为实现松动螺栓的定位,定义螺栓松动的非线性指标,引入径向基插值函数,实验获得粘贴在铝板上压电列阵响应信号的非线性指标,利用径向基插值函数拟合损伤定位图像。实验结果表明,该方法能有效检测螺栓松动非线性,实现松动螺栓定位。     

Damage assessment in plate-like structures using a two-stage method based on modal strain energy change and Jaya algorithm

The paper presents an effective two-stage approach based on modal strain energy change and Jaya algorithm for damage assessment in plate-like structures. In the first stage, a newly developed damage indicator, named as normalized modal strain energy-based damage index (nMSEBI), is proposed to help locate potential damage elements more effectively. After eliminating most of the healthy elements, the actual damaged sites and its extent in plate structure are determined in the second stage by minimizing an objective function, which is solved using Jaya algorithm. For finding a suitable objective function used in optimization process, two different objective functions are considered to examine their effects on the performance of the utilized optimization algorithm. The efficiency and accuracy of the proposed two-stage damage detection method are investigated by two numerical examples comprising a concrete plate and a four-layer (0°/90°/90°/0°) laminated composite plate with multiple damage locations. All of the obtained results indicate that even under measurement noise, the proposed method can identify the actual damage sites and estimate the extent of damage with high precision. In addition, the numerical results also show that the computational cost of the optimization process using the objective function based on modal flexibility change is much lower than that using the objective function based on mode shapes change.     

基于互相关函数幅值向量的结构损伤定位方法研究

在利用互相关函数幅值向量（Correlation Function Amplitude Vector，CorV）进行结构损伤检测的方法基础上，进一步提出了利用互相关函数幅值向量来确定受损结构的损伤位置的方法。通过在随机激励下不同测点的时域响应求得结构互相关函数幅值向量后，对损伤前后结构的互相关函数幅值向量进行二阶差分处理，根据差分处理后的互相关函数幅值向量分布图可以直观地判别出结构损伤的位置。用一个四边固支板和一个四层楼房基准模型的损伤定位为算例，验证了所提出方法的有效性和准确性。算例表明，用所提出的方法只需要测量结构受随机激励的时域响应，就可同时确定多处结构损伤的位置，且具有较好的抗测量噪声能力。因此，所提出的方法可应用于环境随机激励下的结构健康监测技术。     

基于经验模式分解的框架结构螺栓松动检测实验研究

螺栓松动损伤具有非线性特征,在低、高频激励共同作用下,结构动力响应会出现高频激励与结构固有频率之间的调制现象。利用该调制现象,本文发展了一种基于经验模式分解(EMD)的螺栓松动检测方法,分别对高频正弦和随机激励下结构响应信号进行EMD分解并作功率谱分析,采用EMD分解后含有调制成分的高频固有模式函数(IMF)构造能量损伤指标来识别结构螺栓松动。采用多尺度法进行单自由度非线性模型分析解释高频调制现象,并通过螺栓连接框架结构的振动实验验证了该方法的有效性。结果表明,螺栓松动时,响应信号频域中出现高频激励与固有频率间的调制成分,所构造的能量损伤指标能够有效识别螺栓松动损伤,并且对于初始松动损伤识别更为敏感。     

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。     

基于损伤因子的板架结构损伤识别方法研究

用基于损伤因子的损伤识别方法对板架结构损伤进行识别。先将板架结构简化为多个板的组合;基于损伤前后模态振型从应变能角度推导损伤因子的表达式,用通用有限元软件ANSYS计算两种损伤工况下损伤前后的模态振型,再用B样条法拟合损伤因子曲面从而对损伤的位置进行识别。最后用实验验证了该方法。该方法对于识别板架结构的单个损伤具有较好的可靠性,并可以为识别多损伤位置提供较好的方法指导。     

基于不完备频响函数的结构多损伤定性和定量识别

传统的频响函数损伤探测方法对单损伤识别效果明显,却难于精确识别多损伤情况。为了解决结构的多损伤位置识别和损伤程度的判定问题,将不完备的频率响应函数应用于结构的损伤检测研究,并提出了一种两阶段的损伤识别方法。首先,利用不完备的频率响应函数确定相应的损伤指标,并通过不同节点和自由度处损伤指标的改变来分别初步判断损伤的位置;然后,推导分析了损伤程度计算公式,利用该公式可以精确的计算出相应损伤单元的损伤程度。仿真结果表明,通过自由度损伤指标的改变可以较为精确的识别出损伤的位置,优于节点损伤指标判别法,而通过损伤定量公式不仅可以得到损伤程度的量化值,而且可以更精确的判断损伤的位置。     

弹性-粘弹性复合结构的Krylov子空间模型降阶方法

针对弹性-粘弹性复合结构的动力学模型降阶问题，提出用Krylov子空间作为投影子空间进行模型减缩的方法。首先介绍了二阶时不变动力学模型的Krylov子空间的定义，并证明了经Krylov子空间方法降阶得到的模型具有与原模型的部分低频矩量相等的特性。然后给出了计算Krylov向量的算法。最后以一表面部分粘贴约束阻尼结构的正交异性悬臂板为例，分别用Krylov子空间方法和迭代动力缩聚法进行了模型降阶，并对原模型和降阶模型进行了频率响应分析，结果表明，采用Krylov子空间降阶后的模型能较好地保持原模型的动力学特性且降阶幅度大。     

隔震结构损伤性能与可靠度研究

提出隔震结构的地震损伤模型,并采用概率密度演化理论分析隔震结构地震损伤指数的概率统计特征,为隔震结构性态目标的量化提供依据。考虑隔震支座的压剪相关性和拉压性能的差异,给出隔震层的损伤指数模型,再利用Park-Ang损伤指数描述上部结构的损伤状况,建立隔震体系的损伤指数模型;将隔震结构简化为双质点模型,采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的状态方程,应用四阶龙格-库塔方法迭代求解求解出隔震结构的位移反应和滞变耗能,进而求解隔震结构的损伤指数;建立隔震结构损伤指数的概率密度演化方程,求解损伤指数的统计特征和概率密度函数,然后根据极值分布理论计算损伤指数超过不同性能水准的可靠度。本研究为以可靠度为理论基础的隔震结构损伤分析提供了可借鉴的方法。