基于AR模型和因子分析的结构损伤预警研究

结构损伤会引起动力响应特征参数的变化,而环境因素(温度、湿度)的改变同样也会导致动力响应特征参数发生变化,有时甚至会淹没损伤引起的动力响应特征参数的变化,从而导致基于振动的结构损伤识别方法失效。为消除环境因素(温度)的影响,利用时间序列分析中的AR模型和多元统计分析中的因子分析并结合标准差控制图进行结构的损伤预警研究。首先利用AR模型对结构损伤前后的加速度响应数据进行动态建模,并提取模型系数,其次利用因子分析去除温度对AR模型系数的影响,最后利用标准差控制图进行损伤预警。数值模拟结果表明,在温度变化的条件下,该方法成功地对四层钢框架结构进行了损伤预警。     

考虑环境因素影响的海洋平台结构损伤检测研究

海洋平台长期服役于恶劣的海洋环境中,结构损伤逐渐累积。海洋环境因素,例如温度、海生物附着、桩基冲刷等,会掩盖真实损伤对结构动力特性的影响,导致基于动力特性的损伤检测方法容易出现损伤误判。将协整分析技术应用于海洋平台结构的损伤判定中,通过对结构频率序列进行协整分析,消除环境因素干扰,提取能够表达结构真实动力特性的协整残差,而后依据X-bar控制图进行损伤判定。以最为普遍的多变性环境因素温度为例,同时考虑空气、海水和泥土温度变化的影响,探究协整方法对消除这些变化的有效性,并与常用的主成分分析(PCA)方法进行对比。研究结果表明,两种方法均能有效地消除温度变化的影响,实现海洋平台结构损伤的准确判定。小噪声水平下,协整分析的稳定性更好,随着噪声水平的增加,主成分分析具有更高的噪声鲁棒性。此外,协整分析在基准数据较少的情况下具有更低的误判率。     

协整系数矩阵的非平稳工程系统故障诊断应用研究

对于非平稳工程系统,若系统变量是一阶单整的,则可以建立变量间的协整关系模型,通过理论分析证明,协整系数矩阵可作为故障空间的特征参数用作系统的故障诊断。非平稳系统变量首先要通过单位根检验以证明其一阶单整,然后使用Johansen检验法估计出协整系数矩阵,即特征参数,使用一对多分类的支持向量机(SVM)算法进行故障数据的训练和测试。使用液压舵面故障仿真系统作为试验平台,使用输入指令、舵面角度等5个一阶单整的系统变量作为协整变量,其估计出的协整系数矩阵作为特征参数,结果表明协整系数矩阵作为特征参数,SVM作为数据分类方法,具有很好的故障分类效果。     

压电阻抗损伤识别温度影响的协整消除方法研究

近年来结构健康监测与损伤识别研究中广泛采用压电高频机电阻抗方法(EMI)。由于环境温度变化也会使阻抗谱产生频移和幅值变化,甚至淹没结构损伤对阻抗谱的影响,造成损伤误报。因此提出了一种基于协整处理阻抗谱的方法,以消除长期监测过程中环境温度变化的影响。分析了阻抗谱中协整向量的构造原理,利用ADF检验和Johansen检验确定其不平稳阶数,将温度变化影响下不平稳的阻抗谱峰值频率时间序列协整为一个平稳的余量序列。利用压电片高频主动激励进行了钢板在温度变化工况下模拟损伤的EMI检测识别实验。实验结果表明,结构损伤导致平稳的协整余量序列发生突变,准确表征了结构损伤的发生,验证了阻抗谱协整处理环境温度变化方法的有效性。     

温度影响下基于主成分分析和模态柔度的结构异常检测

在基于振动的结构损伤识别中,很多结构动力学的参数可用作损伤特征参数,如共振频率、振型、模态柔度等.结构损伤会引起损伤特征参数发生改变,但环境因素和运营条件的影响也会使这些特征参数发生变化,而且这种变化往往会掩盖结构自身损伤所引起的特征参数变化.如何剔除或减少诸多环境因素的影响,得到结构本身的真实状况(有损或无损),成为了桥梁损伤检测和健康监测中的一个关键问题.选用对结构损伤较为敏感的模态柔度作为损伤特征参数,通过数值模拟算例对比分析了结构局部损伤和温度变化对模态柔度的影响;对结构在不同状态下的模态柔度进行主成分分析,用残差建立其统计分布模式,用统计模式识别的方法识别模式差异,实现考虑环境因素影响的结构异常检测.结果表明,若不考虑温度对模态柔度的影响,易对桥梁结构的健康状况产生误判;运用基于主成分分析的结构异常检测方法可有效剔除温度对模态柔度的影响,实现结构异常的检测.     

基于协整理论的环境温湿度效应下连续梁桥频率修正方法

环境温度和湿度效应及其变化导致工程结构的模态参数有明显的波动和时变特性;目前关于温度对桥梁频率影响和相关量化统计方法并不能完全反映多环境因素综合作用下的结构动力性能和时变频率特性。利用协整理论能够量化多个非平稳序列之间长期均衡关系的能力,对自然环境下三跨混凝土桥梁模型的长期监测及数据分析,建立了基于协整理论的"温度—湿度—频率"长期均衡模型,研究了温度和湿度对结构频率的综合影响。结果表明该模型具有较好的拟合精度和预测能力,能充分反应环境温度和湿度对结构频率影响的本质特征;基于该协整模型,进一步提出了考虑多环境因素影响的桥梁频率修正模型,有效剔除环境温度和湿度对频率的影响,准确展现结构内因引起的动态特性改变,为桥梁损伤诊断和安全评估提供有效信息。     

考虑非线性环境因素影响的结构损伤预警方法研究

在长期监测土木工程结构损伤的过程中,环境因素(如温度)变化引起的结构特性改变往往会被误认为损伤,从而导致损伤预警结果的可信度大大降低.针对此类问题,本文将高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,GMM)的聚类算法引入到基于协整(Cointegration,CI)理论的损伤预警方法中,发展非线性环境因...     

基于AR-GP模型的结构损伤识别方法

针对传统损伤识别方法不易区分多损伤状态以及难以辨别预测结果可靠性的问题,提出了一种基于自回归(autoregressive, AR)模型和高斯过程(Gaussian process, GP)的损伤识别方法。该方法利用AR模型回归拟合结构加速度响应数据,首次引入表征损伤位置信息与损伤状态信息的参数L₁、L₂,基于AR模型残差、系数分别建立了用于定位损伤位置和识别损伤程度的损伤敏感性特征,结合GP的分类与回归算法实现了多损伤定位及损伤程度的概率输出。通过某钢筋混凝土模型拱的数值仿真算例,验证了所提方法的有效性,并对基于AR模型残差和系数的识别结果进行了对比分析。结果表明,该方法能够识别多损伤状态,输出具有概率意义的预测结果,有助于判断结果的可靠性,并能够实现损伤预警,同时基于残差的损伤敏感性特征的识别精度与可靠度更高、抗噪性能更好,在10%噪声污染的情况下,识别结果的相对误差均值与离散系数均值仅为6.52%和0.19。     

基于主成分分析的温度敏感性结构损伤识别

为了避免由于温度变化使损伤识别发生误判,通过小波包变换和多元统计分析中的主成分分析方法构造损伤指标DIT,剔除或减少温度对损伤特征参数的影响。以简支梁模型为例,考虑温度影响,通过上述方法构造损伤指标DIT和损伤上限值UL,再对不同损伤位置、不同损伤程度对损伤指标的影响进行分析,结果表明,使用该损伤指标可以有效提高温度敏感性结构损伤识别的可靠性。基于某藏式古建的长期动态监测系统,分析了传感器两年的数据,损伤指标DIT未超过损伤上限值,表明结构没有明显的损伤发展。     

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。     

随机海洋环境下基于互相关函数和主成分分析的平台结构损伤辨识

为了确保海洋平台安全作业,及时辨识损伤以及进行损伤定位,海洋平台结构健康监测技术已成为学者研究关注的重要问题。针对某在役导管架平台,对平台在不同随机波浪激励下的动力响应分别进行了健康状态和损伤状态的数值模拟。在损伤辨识过程中,对结构不同位置的动力响应进行互相关分析,提取损伤敏感特征;利用主成分分析(principal component analysis,PCA)方法从复杂的数据中提取主成分;定义损伤指标并进行损伤辨识。针对传统PCA方法对某些杆件的损伤辨识精度不高等问题,提出了一种新的主成分选取方式,并在此基础上对传统PCA方法进行了改进。结果表明,改进后的PCA方法有效提高了损伤辨识的精度,可以对随机波浪条件下的结构损伤进行准确辨识。     

基于振型差值曲率与神经网络的海洋平台结构损伤识别研究

利用神经网络进行复杂结构损伤识别时，会遇到网络规模过大以致难以收敛的问题。为此，提出了一种基于振型差值曲率与神经网络的结构损伤识别两步法。第一步，利用振型差值曲率得到损伤的大致区域。第二步，在第一步选定的区域内，利用BP神经网络确定损伤构件的准确位置。四层海洋平台数值模拟和实验结果验证了该方法的有效性。     

基于Kalman-GARCH模型的结构损伤识别

基于监测数据的结构损伤识别,是桥梁健康监测系统发挥感知预警效益的重要基础。为进一步提高结构损伤识别精度,提出一种融合Kalman滤波与广义自回归条件异方差(GARCH)模型的结构损伤识别方法。采用Kalman滤波对加速度时程数据进行降噪处理,在此基础上,建立了线性递归AR模型,对结构损伤进行识别;引入非线性递归GARCH模型,进一步提高识别精度;利用加速锈蚀损伤钢筋混凝土梁动力试验获取的加速度时程数据,对算法的有效性进行验证。结果表明:以损伤前后时间序列模型残差方差比为特征指标,能够有效识别结构损伤;与Kalman-AR模型相比,Kalman-GARCH模型能够解释部分非线性特征,弥补AR模型忽略数据异方差性所带来的识别误差,识别精度提高了14.2%。该方法可为基于海量数据的桥梁结构状态感知提供一种新的思路。     

海洋平台结构环境激励的实验模态分析

介绍了对位于渤海湾的“埕岛二号”中心生活平台所进行的现场测试实验,该平台为直立式导管架钢结构平台。此次现场实验是在波浪力、风等环境载荷激励下测试结构动力响应的。利用频域的模态识别法峰值法(PP)和时域中的自然激励法(NExT)结合特征系统实现算法(ERA)分别对海洋平台结构现场测试的动力响应数据进行模态参数识别;利用ANSYS建立了该平台结构的三维有限元模型,并进行结构的模态分析。海洋平台结构的理论和实验模态分析结果吻合较好,分析结果表明该类模态参数识别方法能够为结构损伤诊断提供基准模型,可以运用于实际结构的健康监测以及维护维修。     

船舶-自升式海洋平台碰撞相似率研究

海洋平台作为海洋能源勘探开发的主要组成部分,是海洋油气探井、钻井、开采的主要作业基地。船舶碰撞致使平台结构损伤破坏一直是威胁海洋平台安全的主要因素之一,开展海洋平台碰撞性能研究,揭示平台结构在碰撞过程中的损伤变形机理,对提升平台安全性具有重要意义。评估平台结构耐撞性能最可靠的方法是实船碰撞试验,然而因其耗资巨大而不易开展。按一定相似关系进行比例模型试验成为现实条件下的首选。本文基于相似第二定理,运用量纲分析法推导船舶-自升式海洋平台碰撞过程中各物理量的相似关系,为平台碰撞模型试验的开展及试验参数的确定提供重要依据。结合有限元仿真技术,以平台典型的T型和K型管节点为研究对象,建立不同缩尺比下的简化碰撞模型,比较验证相似理论的可靠性。研究结果表明,缩尺模型在碰撞冲击载荷下的结构损伤变形、碰撞力和能量吸收等动态响应与实尺度模型结果一致性较好。本文研究成果可以为大型平台结构碰撞模型试验设计提供技术支撑。     

Effects of environmental and operational variability on structural health monitoring

Stated in its most basic form, the objective of structural health monitoring is to ascertain if damage is present or not based on measured dynamic or static characteristics of a system to be monitored. In reality, structures are subject to changing environmental and operational conditions that affect measured signals, and these ambient variations of the system can often mask subtle changes in the system's vibration signal caused by damage. Data normalization is a procedure to normalize datasets, so that signal changes caused by operational and environmental variations of the system can be separated from structural changes of interest, such as structural deterioration or degradation. This paper first reviews the effects of environmental and operational variations on real structures as reported in the literature. Then, this paper presents research progresses that have been made in the area of data normalization.     

点蚀损伤下海洋平台结构剩余强度的多尺度分析方法

均匀腐蚀损伤影响结构承载力的研究已趋于成熟,但点蚀损伤影响整体结构承载力的规律及其局部损伤的演化行为仍不明确。该文采用均匀分布的圆柱体点蚀损伤模型,探讨在宏观结构尺度中点蚀损伤的描述、多尺度区域的划分和跨尺度界面的连接以及结构非线性的求解方法,提出了研究考虑细观尺度点蚀损伤的海洋平台结构多尺度模型的构建和计算方法。计算结果表明:该文提出的多尺度模型构建策略有效地解决了细观尺度点蚀损伤在宏观结构尺度中的描述问题,且所建多尺度模型能够体现点蚀损伤削弱结构极限承载力的规律,为评估在役海洋平台结构的剩余强度提供了可行的方法。     

基于结构部分结点振动响应信息的海洋平台损伤诊断研究

利用结构的前三阶频率和部分结点的响应信息构建适应度函数和目标函数,采用改进的CHC遗传算法对结构进行损伤诊断,在相同的收敛精度条件下,大大减少了遗传代数和结构分析时间,因而提高了计算速度。数值算例表明:在不同的传感器配置条件下,对固定式导管架平台的损伤诊断均具有较高的损伤定位和损伤程度估计精度。     

温变工况下超定独立成分分析导波监测方法

基于超声导波的结构健康监测技术在实际工程应用中受到变化的环境工况条件的影响,由于独立成分分析方法对于处理时变工况条件下的大量监测导波信号存在局限性,以及对不同程度的损伤表征研究存在不足,提出一种基于超定独立成分分析的导波监测方法并改进了基于k均值聚类的损伤指标。以广泛存在的环境温度作为环境变量,通过主成分分析从大量导波信号组成的观测矩阵中确定独立分量个数,使用独立成分分析将处理后的导波信号分解为独立分量,能够有效地将损伤与环境工况的影响分离到不同的独立分量中。对长期经受环境温度变化的铝板进行了导波监测实验,结果表明该方法能够有效减少独立分量数目并从大量导波信号中排除环境温度的干扰识别出损伤,并且对处于温变条件下的完整和不同损伤程度的铝板进行了损伤识别实验,进一步研究了该方法在排除环境温度干扰的同时表征损伤程度的效果。