利用模态柔度曲率差识别框架的损伤

采用结构模态参数进行损伤识别是研究较早，应用较多的无损探伤检测方法。提出了一种称为模态柔度曲率差的损伤检测指标。该指标利用模态柔度，不仅比频率和振型更敏感，而且对高阶模态的依赖大为减小。此外，曲率的采用也增加了其对损伤的敏感程度。对两个框架有限元模型进行了分析，详细比较了该指标和振型曲率改变率等其它一些指标在不同的损伤分布和损伤程度下的损伤识别效果，发现模态柔度曲率差识别效果最好，结果最稳定。     

基于应变模态的风机塔筒根部疲劳裂纹损伤检测研究

风力发电机塔筒根部所受弯矩大易产生疲劳裂纹，及早地检测发现裂纹有利于防止风机倒塌破坏。研究一种基于应变模态的塔筒根部疲劳裂纹损伤识别方法。首先建立塔筒的振动微分方程和应变模态；然后构建风机模型并进行模态分析，研究塔筒损伤前后固有频率、位移和应变模态振型的差异；最后建立应变模态变化率的疲劳裂纹识别指标，并基于最小二乘法拟合应变模态变化率与损伤程度的数学关系。结果表明：塔筒受损前后固有频率和位移模态振型无显著改变，无法进行损伤定位；应变模态振型在受损处出现峰值突变，且损伤程度越高突变越明显；应变模态变化率与损伤程度呈正相关，采用六次多项式可拟合出两者的关系。     

一种海洋平台广义模型修正方法的研究

针对导管架式海洋平台结构的广义模型修正问题，提出了先修正模态振型后修正模态频率的试验方法。首先利用损伤检测方法识别出试验模型中与初始有限元模型有刚度偏差的杆件单元并采用反复迭代修正的方法进行了有限元模型模态振型的修正；然后将地基模拟为三维弹性支承并对其进行优化设计来实现有限元模型模态频率的修正；通过力锤激励下海洋平台的模型试验验证了此方法的可行性，为长期服役且原型结构未测的海洋平台的损伤检测、安全评估研究提供了基础。     

基于振动测试的海洋平台结构无损检测

针对海洋平台等复杂大型土木工程结构物，研究基于振动测试的无损检测方法，提出了一套利用结构单元模态应变能特性的新损伤诊断方法。该方法是将结构单元的模态应变能分解为拉压模态应变能和弯曲模态应变能，并定义了两个损伤诊断指标，即拉压模态应变能变化率(CMSECR)和弯曲模态应变能变化率(FMSECR)。模态应变能是通过结构不完备模态振型和结构刚度矩阵计算出的，因此，可以通过振动测试得到结构单元的两个损伤指标诊断结构的损伤。为了验证本文所提出损伤诊断方法的正确性，利用海洋平台有限元模型数值模拟了三个典型的损伤工况。根据损伤诊断结果，本文所提方法能够得到较满意的诊断精度，具有一定的实际应用价值。     

基于轴向模态应变能比法的三维桁架结构损伤定位方法

本文提出了可用于诊断三维桁架结构的损伤指标——轴向模态应变能比法。该指标仅利用结构的前两阶模态参数,无需转动自由度信息。通过四腿导管架海洋平台结构有限元模型,数值模拟不同构件的多种损伤工况对该指标进行验证,最后通过海洋平台物理模型实验对该方法进行了实验验证。验证结果表明本文提出的轴向模态应变能比法可有效地诊断三维桁架结构的损伤。     

基于神经网络法的多层空间框架结构损伤检测

通过有限元模态分析,获取结构在完好和不同损伤程度下的各阶固有频率与节点振型位移,利用二者的差值作为损伤标识量,灵活的利用BP神经网络进行分步训练,得到框架结构损伤检测的神经网络系统,可以对多层空间框架结构的损伤位置和程度做出成功检测。     

基于契贝雪夫多项式曲率模态在结构损伤检测中的应用

曲率模态在结构损伤检测中具有对结构损伤部位非常敏感的特性。从而曲率模态计算的准确度是影响检测结果的重要因素。传统方法主要是运用中心差分法求解曲率模态，由于中心差分法的计算精度依赖于测点分布的紧密程度，这样就使结构检测结果具有很大的误差。函数按契贝雪夫多项式展开式具有很高的逼近特性。本文运用这种特性提出板类结构损伤检测的曲率模态算法——契贝雪夫多项式逼近算法，构造板类结构振型的契贝雪夫多项式函数，对该函数进行求二阶偏导得到x和y方向的曲率模态，进而求出结构损伤前后的曲率模态差，为结构损伤检测提供可靠的数据，从而达到良好的检测效果。     

考虑桩-土作用及冲刷影响的海上风电结构损伤检测研究

海上风电结构长期服役于恶劣的海洋环境中，损伤不断累积，严重时导致整体失效。现有损伤检测方法可以识别结构损伤，但未考虑桩-土作用、冲刷效应对结构动力特性的影响，若直接应用于实际工程容易导致损伤误判。基于交叉模型交叉模态(cross-model cross-mode, CMCM)法，考虑桩-土作用和冲刷效应，优化了桩基的边界条件，发展了CMCM结构损伤检测方法。建立了单桩-土体有限元模型，结合已有试验数据，验证了砂土地基条件下数值模型及检测方法的可靠性。进一步地，研究了桩-土作用、冲刷效应对整体结构模态的影响，并基于不同地基假定的基准模型，对数值模型中的结构损伤进行检测。结果表明，考虑桩-土作用、冲刷效应后的地基刚度降低，从而导致结构频率降低、模态振型改变；该模型边界更符合实际工程地基状态，排除导致误判的干扰因素后，结构损伤位置、程度均可被准确识别，提升了CMCM方法的准确性和工程适用性。     

基于小波奇异性的梁结构损伤诊断

利用小波奇异性检测原理,采用墨西哥草帽小波对结构在健康和损伤状态下的模态振型差进行小波变换。根据模态曲率进行损伤检测的原理,提出了表示损伤位置的指标,指标值极大处即损伤发生的位置。以一个悬臂梁损伤检测为例,进行了数值模拟和实验分析。数值模拟结果表明该指标能准确的对损伤位置进行诊断,并根据指标模极大,讨论了Lipschitz指数与损伤程度的关系。     

基于CMSE理论和小生境遗传算法的结构多损伤检测方法研究

本文提供了一种基于交叉模态应变能简称CMSE（cross modal strain energy）和小生境遗传算法的结构多损伤位置和严重程度的有效检测方法。交叉模态应变能方法可以使用完好结构和损伤结构的任意一阶模态信息，并且可以使用极少量（例如只用一阶测量模态）的测量信息。不仅与传统的模态应变能方法相比有了很大的改进，而且对实际检测过程中的信息测量降低了要求。在损伤位置的检测中引入了小生境遗传算法，降低了计算量，提高了检测效率，有利于大型复杂结构的损伤位置检测。复合材料机翼盒段算例结果表明，CMSE方法与小生境遗传算法相结合是检测结构多损伤的有效方法之一。     

裂纹梁的动态特性仿真

介绍了裂纹梁动力仿真中的主要裂纹模型,分析了各种模型的优缺点,并应用集中柔度模型对裂纹梁的模态参数随裂纹的变化特性进行仿真分析,仿真结果和实验结果吻合较好。仿真数据定性地反映出固有频率、振型随裂纹参数的变化趋势。通常认为,位于振型节点的裂纹对模态参数没有影响,仿真结果证明这一结论并不全面。进一步探讨了不同几何参数的梁对裂纹的敏感性。     

基于应变模态差分原理的直接定位损伤指标法

目前应变类损伤指标大多数只能利用损伤前后的模态参数进行损伤定位，但要得到损伤前的模态数据非常困难，难以在土木工程中推广应用。为此提出了无健康标准下基于损伤应变模态差分原理的直接定位损伤指标法ISMSD（Strain Mode Shape Difference），只需利用损伤后应变模态数据即能定位损伤。推导了损伤应变模态等间距和不等间距差分格式。在综合考虑相邻两有效极值点间有效距离比、有效极值之差绝对值、有效极值绝对最大值的基础上，建立了直接定位损伤指标数学模型。根据理论推导和数值仿真统计分析，提出损伤位置判定准则：若某点的每阶指标值均最大，则该点有损伤；若某点的某阶或多阶指标值越大，则该点损伤可能性越大；对于某阶节点损伤，则可通过其余阶的指标值定位损伤。该指标能正确地判定损伤位置，尤其是损伤量较小情况。     

Modal parameter identification and vibration based damage detection of a multiple cracked cantilever beam

This paper presents a detailed investigation on the modal parameter identification and vibration based damage detection of a multiple cracked cantilever beam with hollow circular cross-section. To consider multiple crack effects, a cantilever beam including cracks is considered for six damage scenarios. Finite element models are constituted in ANSYS software for numerical solutions. The results are validated by experimental measurements. Ambient vibration tests are performed to extract the dynamic characteristics using Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD) and Stochastic Subspace Identification (SSI) methods. Calculated and measured natural frequencies and mode shapes for undamaged and damaged beams are compared with each other. Automated model updating is carried out using the modal sensitivity method based on Bayesian parameter estimation to minimize the differences for damage detection. In addition, modal assurance criterion (MAC) and coordinated modal assurance criterion (COMAC) factors are obtained from the mode shapes and two set of measurements to establish the correlation between the measured and calculated values for damage location identification.     

基于小波分析的Timoshenko梁裂缝识别研究

采用等效转动弹簧代替梁内的不扩展横向裂缝,研究Timoshenko裂缝梁的横向振动特性,建立了一种与有限元分析相结合的、基于模态参数的小波分析识别Timoshenko梁内裂缝的方法。以一简支梁为例,通过建立含横向不扩展裂缝的Timoshenko梁的有限元模型,用Lanczos法对结构的模态进行了计算分析,求出了基本振型和转角模态。分别应用mexh小波和db小波为母小波对二者做小波变换,进行多尺度分析,通过小波系数模极大值位置识别出梁内的裂缝。并对识别结果进行对比,发现识别Timoshenko梁裂缝时,基于转角模态小波变换的方法对小波基、尺度的要求较低,变换后的小波系数线更为平滑,奇异性特征更为明显,故运用转角模态小波变换来识别Timoshenko梁裂缝,较之运用基本振型小波变换的方法更为方便、有效。该方法对Timoshenko梁裂缝识别的工程应用具有参考价值。     

海洋工程结构故障的模式识别诊断

本文提出固定式导管架平台结构故障的模式识别诊断.首先介绍模式识别的基本思想,然后讨论统计判别函数方法.对一个二维导管架平台模型,用随机激励进行了正常平台、台面质量增加、横撑斜撑切断以及根部开裂等多种结构状态的振动试验.取频响函数幅值和随机减量函数作为被识别的模式,得到了很好的结果,从而说明这是一种很有希望的导管架平台结构故障的诊断方法.     

基于摄动法的多条裂纹欧拉梁特征模态分析

基于摄动理论推导了带多条开口裂纹的欧拉梁的特征模态参数的理论计算公式。采用最直接的方式将梁开口裂纹模拟成梁微段内的横截面折减并用δ函数表达了带开口裂纹的梁沿轴线的截面惯矩和线质量等物理参数。基于此,建立了裂纹梁动力微分方程,并采用一阶摄动理论推导得到了梁的模态频率和振型计算公式。简支梁及悬臂梁算例研究表明,该方法具有很好的精度,与有限元模拟结果及实验结果都能很好地吻合。并采用此方法分析了裂纹深度和位置对带多条开口裂纹梁的特征模态参数的影响。结果表明,裂纹对各阶模态频率虽然影响有限,但其引起的各阶频率变化有着明显的模式,可用于结构损伤定位;裂纹对模态振型影响不明显,但对模态曲率影响比较大,可用于结构损伤位置和程度的诊断。     

Experimental studies on damage detection of beam structures with wavelet transform

Experimental studies are reported for crack detection of a beam structure under a static displacement with the spatial wavelet transform. An invisible perturbation in the deflection profile of the beam at the crack position due to its existence would be induced. Such a small perturbation will be discerned or amplified through a wavelet transform such that a detection of crack location becomes possible practically. To realize this, the static profile of a cracked cantilever aluminum beam subjected to a static displacement at its free end is analyzed with Gabor wavelet to identify the crack. The damage detection of the beam with different crack depths is conducted. The spatial wavelet transform is proven to be effective in identifying the damage area even when the crack depth is around 26% of the thickness of the beam.     

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。     

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。