利用试验模态分析有神经网络技术对结构损伤检测的探讨

选用一工程上常用的截面开口槽形,通过试验模态分析对结构损伤引起的模态频率转动进行了分析,从试验角度对四种损伤检测方法进行了有效性比较。并蒋 神经网络与试验模态分析技术相结合应用到结构损伤的定量检测的研究中,不人证了其可行性,而且是应变指标对结构损伤更敏感。     

PolyMAX法在自升式平台模型损伤检测中的应用

对某自升式海洋平台模型进行了脉冲锤击法试验模态研究.采用移动力锤法对自升式海洋平台模型无损伤和有损伤两种工况进行振动测试,对振动数据采用PolyMAX法进行模态分析,研究了两种工况下的结构动态特性.试验分析结果表明,PolyMAX方法在自升式海洋平台模型损伤检测中,不仅能够获得清晰的稳态图,还可以有效识别结构模态频率、模态振型;根据平台模型损伤前后的模态参数可知,平台模型损伤后X,Y方向的一阶频率均有明显降低,尤其是损伤处模态振型变化更为明显.该特征为自升式海洋平台损伤检测提供了一个依据.     

AGS结构的损伤定位仿真

为了检测先进复合材料格栅结构(AG S)的损伤所在位置,提出了通过计算结构在损伤前、后模态曲率差的方法,来进行计算和分析。建立了格栅结构在有约束条件下的有限元模型,通过AN SY S中的模态分析得到模态振型位移值,计算了结构损伤前、后的模态曲率差,通过这一指标对结构的损伤进行辨识,并分析了采用多阶模态的计算效果。结果表明,通过第1阶模态振型模态曲率差的计算,可对单损伤状况做出有效的检测;对于多损伤工况,需使用前3阶模态的曲率差进行分析,才能有效检测损伤的位置。     

运用曲率模态技术的木梁损伤定量识别

为对木结构构件局部缺陷进行有效检测,结合试验模态分析和有限元模拟方法,对含不同位置、大小和数量孔洞缺陷的木梁进行研究,计算其第1阶位移模态振型和曲率模态,分析木梁损伤前后的曲率模态变化,探讨模态分析方法在木材缺陷检测中的适用性.研究结果表明:曲率模态是一个对木梁损伤比较敏感的参数,可用于对孔洞位置、大小及数量进行定量的估计;通过降低有限元模型局部单元的弹性模量能够较好地模拟木梁损伤,有限元模态分析和试验模态分析得到的位移模态振型及曲率模态吻合均较好,验证了模态分析对木梁无损检测是一种有效的方法.     

基于曲率模态的木梁损伤定量识别

为对木结构构件局部缺陷进行 有效检测,结合试验模态分析和有限元模拟方法,对含不同位置、大小和数量孔洞缺陷的木梁 进行研究,计算其第1阶位移模态振型和曲率模态,分析木梁损伤前后的曲率模态变化,探讨 模态分析方法在木材缺陷检测中的适用性。研究结果表明:曲率模态是一个对木梁损伤比较 敏感的参数,可用于对孔洞位置、大小及数量进行定量的估计;通过降低有限元模型局部单 元的弹性模量能够较好地模拟木梁损伤,有限元模态分析和试验模态分析得到的位移模态振 型及曲率模态吻合均较好,验证了模态分析对木梁无损检测是一种有效的方法。     

基于模态柔度曲率差的弯管结构损伤识别

为对弯管结构进行无损检测,结合有限元模拟和实验模态分析方法,对具有不同位置和程度的损伤弯管结构进行研究,计算和分析其模态柔度曲率差,探讨模态分析方法在弯管结构损伤检测中的适用性。研究结果表明：弯管结构的模态柔度具有方向性,弯管所在平面x,y方向柔度求解的模态柔度曲率差不能对弯管进行损伤识别;垂直弯管所在平面z方向柔度不仅可以对弯管进行单处、多处的损伤定位,而且可以对同一位置的损伤程度进行定量分析。     

基于应变模态分析的长输油气管线损伤检测仿真研究

基于应变模态方法,运用有限元分析软件ANSYS对石油工业中的压力管道损伤识别进行了初步的研究。ANSYS的模态分析可以求得结构在损伤前后的位移模态,将其转换为对应阶数的应变模态,并对比应变模态损伤前后的变化,作出应变模态差值曲线以此来判断损伤的存在和位置以及损伤程度。计算结果表明：利用应变模态差值曲线能比较准确地识别出管道结构模型的损伤存在和损伤位置,并依此定性地识别出管道结构模型的损伤程度。采用此方法进行管道结构进行损伤识别比传统的损伤检测方法更加准确、方便。     

基于模态应变能的海洋平台损伤定位试验研究

针对海洋平台等大型复杂土木工程结构，研究了基于振动响应测试的结构损伤诊断方法。采用特征系统实现算法，仅利用输出响应进行模态参数识别，基于模态应变能的变化来进行损伤定位。为了验证该方法的有效性，制造了钢质导管架式海洋平台模型，进行了振动台试验。模型预先在某些典型构件处设置了法兰连接件用来模拟损伤，针对斜撑构件测试了多种单损伤和两损伤工况。针对各种损伤工况进行了模态识别和损伤检测，试验结果表明，基于输出响应的模态应变能法进行斜撑损伤定位是可行的。     

基于PWAS的层合板导波传播特性和损伤响应FEM分析及试验验证

导波无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）技术由于适用范围广、检测速度快等优势,已成为结构安全性检测的重要技术手段之一。不过,导波在各向异性介质中的传播表现为频散特性与波传播方向的关联性、多模态特性与各向异性的相互作用以及不同模态与损伤的相互作用。导波在复合材料无损检测应用中的复杂性对检测技术和检测方法提出了更高的要求,所以对碳纤维复合材料层合板中的导波传播特性和损伤响应进行分析具有十分重要的意义。文中采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对不同碳纤维增强聚合物基（Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP）层合板中的导波传播特性和各模态波与损伤的相互作用进行了分析。首先根据群速度、波长等参数建立有限元模型,并在边界设置阻尼递增吸收区域来弱化边界反射波的干扰;然后分析基于压电晶片有源传感器（Piezoelectric Wafer active Sensors, PWAS）的不同层合板中导波传播差异,之后在结构中引入损伤来分析不同模态波与不同损伤的相互作用;最后通过试验分析和验证有限元仿真的准确性。     

结构动力特性变化规律及结构损伤检测方法的试验研究

结构的损伤改变结构的动力特性及动力响应。用试验测试结构及其损伤后的固有频率、加速度响应,结果表明,固有频率与加速度动力响应对结构损伤不敏感,即结构发生损伤时上述值均没有明显变化。同样,由共振时的响应值可以推知,振型也不宜作为结构损伤的判断标准。应变模态在损伤处发生突变表明,结构损伤时,损伤位置的应变会有明显变化,因此应变模态可以作为结构损伤的判据。基于曲率模态的结构损伤检测方法依然对损伤很敏感,对多处损伤的检测也有很好的效果。     

An experimental study on damage detection of structures using a timber beam

Using vibration methods for the damage detection and structural health monitoring in bridge structures is rapidly developing. However, very little work has so far been reported on timber bridges. This paper intends to address such shortcomings by experimental investigation on a timber beam using a vibration based method to detect damage. A promising damage detection algorithm based on modal strain energy was adopted and modified to locate/evaluate damage. A laboratory investigation was conducted on a timber beam inflicted with various damage scenarios using modal tests. The modal parameters obtained from the undamaged and damaged state of the test beam were used in the computation of damage index, were then applied using a damage detection algorithm utilising modal strain energy and a statistical approach to detect location of damage. A mode shape reconstruction technique was used to enhance the capability of the damage detection algorithm with limited number of sensors. The test results and analysis show that location of damage can be accurately identified with limited sensors. The modified method is less dependent on the number of modes selected and can detect damage with a higher degree of confidence.     

基于模态分析的钢结构损伤识别方法研究

对钢结构损伤的准确识别是确保钢结构安全可靠的重要保证。本文提出了一种利用动力试验检测钢结构破损的方法。通过建立钢梁的有限元模型计算正常情况下梁的动力特性,利用现场采集试验数据、模态分析技术获得损坏梁的自振特性。将无损模型分段计算出自振特性,利用特征比的比较确定损伤位置。经实例分析证明该方法准确、简便、适用,提高了钢结构损伤识别的效率和精度。     

Improvement of damage detection methods based on experimental modal parameters

The objective of this paper is to introduce a new method for structural damage detection based on experimentally obtained modal parameters. The new method is suitable for detection of fatigue damage occurring in an aluminium cantilever beam. The damage has been practically realised as saw cuts of different sizes and at different locations. The first step of analysis included an attempt of damage identification with the most often used damage indicators based on measured modal parameters. For that purpose special signal processing technique has been proposed improving the effectiveness of indicators tested. However the results obtained have not been satisfactory. That was the motivation for defining new damage indicators (frequency change based damage indicator, Hybrid Damage Detection method), utilising the change of natural frequencies and any mode shape (measured or modelled) as the measurement of frequencies is much less time consuming in comparison to total mode shape measurement. It has been shown that the proposed technique is suitable for damage localisation in beam-like structures.     

基于CMSE理论和遗传算法的结构损伤检测方法研究

提供了一种基于交叉模态应变能(CMSE)的结构损伤位置和严重程度的有效检测方法。传统的模态应变能方法必须比较损伤结构和完好结构的同一阶模态信息,并且要求解析的和测量的模态在尺度上一致或者标准化,而CMSE方法没有这样的限制。在损伤位置的检测上引入了遗传算法,有利于大型复杂结构的损伤位置检测。算例采用了复合材料机翼盒段模型,结果表明,CMSE方法与遗传算法相结合是检测结构损伤的有效方法之一。     

弹性梁损伤识别模态应变能法

针对飞行器弹性梁结构的振动疲劳损伤问题,基于单元模态应变能的变化提出了一种新的结构损伤识别方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为原则,通过对比结构单元损伤前后模态应变能的变化率来构建损伤指标。在构建损伤指标之前,假定弹性梁的刚度是由单元刚度组成的,在定义单元刚度灵敏度公式的基础上,建立了弹性梁损伤前后模态应变能变化的联系。最后采用数值计算和实验测试方法,得到了弹性梁损伤状态的识别结果,验证了该方法对损伤识别的正确性和有效性。     

基于模态参数的悬臂梁损伤识别研究

分析了金属结构损伤对模态参数的影响,运用频率变化平方比的方法,对箱形悬臂梁的损伤进行识别。利用Ansys有限元对该箱形梁进行仿真,及通过试验进行验证,表明该方法能较准确的分析判断出损伤位置和程度。为推广到起重机的金属结构损伤检测提供理论和试验基础。     

基于应变模态的模态应变能损伤识别方法

传统模态应变能计算需要完备模态振型信息,而模态振型信息中存在转角自由度难以准确获取的问题,为解决该问题,开展基于应变模态的模态应变能损伤识别研究,实现了结构损伤的定量识别。首先,通过基于应变与位移之间的联系,推导出应变模态与位移模态之间的转换矩阵;其次,利用应变模态代替位移模态计算单元模态应变能,建立基于灵敏度分析的损伤识别方程组;最后,根据奇异值截断法求解该方程组识别结构损伤。以一两端固支梁结构为对象,开展数值仿真和实验研究。结果表明,该方法可以有效识别出结构的损伤位置和损伤程度,相对于基于振型扩充的模态应变能损伤识别方法,具有更好精度和抗噪性能。     

The influence of enhanced closed-loop sensitivity towards breathing-type structural damage

This paper investigates the performance of a nonlinear damage detection method using sensitivity enhancing control (SEC). Damage nonlinearity due to the cyclic behavior of crack breathing could provide valuable evidence of structural damage without information of the structure’s original healthy condition. Not having such information is considered a major challenge in vibration-based damage detection. In this study, two different categories of damage detection methods are investigated: frequency and time-domain techniques focusing on the benefit of SEC for breathing-type nonlinear damage in a structure. Numerical simulations using a cantilevered beam and spring-mass-damper system demonstrated that the level of nonlinear dynamic behavior heavily depends on the closed-loop pole placement through feedback control. According to SEC theory, the characteristic of the feedback gain defines the sensitivity of modal frequency to the change of stiffness or mass of the system. The sensitivity enhancement by properly designed closedloop pole location more visually clarifies the evidence of crack nonlinearity than the open-loop case where no sensitivity is enhanced. A damage detection filter that uses time series data could directly benefit from implementing SEC. The amplitude of damage-evident error signal of the closed-loop case significantly increases more than that of the open-loop case if feedback control or SEC properly modifies the dynamics of the system.     

应变模态振型获取的一种简便方法

根据应变模态分析原理,定义了一个新的应变模态振型系数,提出了基于应变响应获取结构应变模态振型的一种简便方法,并通过简支梁实验进行了验证。研究结果表明,采用该方法无需测量位移模态,仅需采用单点激励,用电阻应变计测量结构上各测点的应变响应信息,即可获得被测结构应变模态振型,大大简化了应变模态在工程结构损伤识别中的实验检测分析过程。     

大型复杂结构损伤识别两步法研究

基于模型修正技术及模态柔度曲率差方法提出了一种解决大型复杂结构损伤识别问题的两步法。首先运用基于模型修正的损伤识别方法进行模糊识别,通过建立带约束边界非线性最小二乘目标函数,极小化结构实测模态与解析模态之间的误差,将损伤识别问题转化为优化问题,并采用信赖域方法求解该优化问题,识别出损伤所属单元组。然后运用模态柔度曲率差方法,对损伤进行精确定位。对某导弹发射台骨架的数值仿真及试验研究结果表明,该损伤识别两步法识别效果较为理想,为解决大型复杂结构的损伤识别问题提供了新思路。