基于随机子空间和统计模型的输电塔损伤识别

针对输电塔结构,给出一种基于随机子空间结合统计模型的损伤诊断方法,利用输电塔振动响应信号挖掘数据统计特征并构建高灵敏损伤诊断指标实现输电塔结构局部构件的损伤检测。首先,获取输电塔结构的瞬态动力响应数据;其次,利用随机子空间法识别模态参数,构造名义模态参数,并定义一个与参数识别过程相关的残差向量表征结构动力参数变化;最后,计算该残差对结构参数的灵敏度,并构造残差灵敏度的χ2统计量作为结构损伤诊断指标。通过数值模拟及现场试验对某足尺输电塔结构进行分析,结果表明,上述方法可有效对输电塔结构局部构件的螺栓松动、杆件破坏等损伤进行识别。     

单回路500kV输电塔风致响应参数分析

首先,对典型单回路500kV高压输电塔进行了有限元模态分析;然后,利用基于非定常风荷载的风致动力响应频域分析方法,对单回路高压输电塔风致响应进行了参数分析;最后,详细探讨了参振模态数目、模态交叉项、结构阻尼比等参数对响应的影响。结果表明:输电塔上部节点考虑前三阶整体振型(两水平向侧弯和扭转)就能保证足够高的位移计算精度;参振模态数目对加速度响应值有较大的影响,随模态阶数的增加,加速度响应单调增大;基底弯矩主要由各方向一阶侧弯振型贡献。输电塔对阻尼比的变化敏感,随着阻尼比的增大共振响应明显减小,阻尼比对响应低频部分的影响基本可以忽略。此外,在单回路酒杯型输电塔频域响应分析中,可不考虑模态交叉项的影响。     

高耸类结构抗侧刚度突变位置统计矩比值检测方法研究

提出一种时域内的高耸类结构抗侧刚度突变位置快速检测方法。首先在高耸类结构同一竖直线上等高度间距布设测点,获取结构各高度测点在水平方向的同步动力响应;其次计算出响应信号二阶统计矩,并将相邻测点响应二阶统计矩作比,绘出该比值随测点高度变化的关系曲线;最后根据曲线突变位置判断结构抗侧刚度突变节段所在位置。本文基于单自由度结构统计矩理论,推导了多自由度结构体系响应统计矩与结构节段抗侧刚度的映射关系,首次结合矩阵摄动法论证了利用结构响应二阶统计矩比值曲线判段结构抗侧刚度突变节段位置的可行性,考虑实际工程应用中存在的诸多影响因素,利用数值模拟论证分析不同高耸结构在不同激励形式及30、40 dB噪音影响下所提方法的适用性,最后结合现场风电塔筒的实测响应数据进行分析研究。研究结果表明利用结构位移响应二阶统计矩作为检测指标,通过高耸结构相邻测点响应统计矩比值曲线,能够初步判断高耸类结构抗侧刚度突变位置,无需进行高耸结构抗侧刚度突变前后数据指标对比,有助于在实际高耸类结构检测工程中得到应用。     

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。     

基于应变模态的风机塔筒法兰螺栓断裂损伤监测研究

针对风力发电机塔筒法兰段螺栓断裂损伤的识别问题,以某型1.5 MW风机为例,对螺栓断裂损伤识别进行了理论推导、仿真分析和损伤识别指标修正研究。运用连续体振动微分方程法,建立了梁的振动微分方程和应变模态;利用ANSYS软件对风机塔筒进行了振动模态分析,并研究了不同螺栓断裂工况下位移和应变模态振型的变化;以应变绝对偏差作为损伤识别指标,通过数值模拟验证不同工况下的风机塔筒损伤识别效果。研究结果表明:不同损伤工况的位移模态振型无明显突变,而应变模态振型在塔筒法兰螺栓断裂处出现显著突变,应变类指标对损伤更加敏感;修正的应变绝对偏差损伤识别指标削弱了未损伤处高应变值干扰损伤识别的影响,提高了损伤识别的敏感度;基于应变模态的损伤识别可为大型风机塔筒的损伤监测和健康维护提供参考。     

基于模态应变能的接触刚度识别方法

由于模态应变能对结构局部变形敏感,因而在以螺栓连接结构为代表装配结构中,预紧力变化对接触刚度和结构固有特性的影响可以采用模态应变能的方法进行分析,据此提出基于模态应变能的接触刚度识别方法,提高粗糙表面接触刚度识别的精度。以螺栓连接的T型块试验台为例,通过测试不同螺栓预紧力下结构前3阶固有频率,并采用薄层单元等效粗糙表面接触特性;考虑结构各阶模态应变能权重,进行了接触刚度识别和识别误差分析。研究结果表明,各阶模态应变能权重随着接触刚度或螺栓预紧力变化可能呈现不同的趋势,导致基于单阶模态的接触刚度识别结果之间存在较大差异;基于模态应变能的接触刚度识别方法由于综合考虑各阶模态的权重,反映了各阶固有频率的总体变化趋势;随着螺栓预紧力增大,接触刚度总体非线性增加,接触刚度识别误差总体下降。所提出的基于模态应变能的接触刚度识别方法,建立了螺栓连接结构中预紧力变量、粗糙表面接触刚度和模态固有频率耦合机制,为粗糙表面接触刚度建模提供了一种精确的识别方法。     

基于频率变化率的结构刚度非均匀退化识别

针对不利环境作用、损伤等易造成结构局部损伤且刚度退化程度不均匀的问题,以受弯梁为研究对象,从构件动力特性入手,综合考虑损伤前后的模态挠度曲率和固有频率变化,提出了基于频率变化率的刚度非均匀退化识别方法。首先,在柔度矩阵的基础上推导模态挠度曲率,通过损伤前后模态挠度曲率的改变量识别损伤位置参数,判定损伤区域;其次,对损伤区域进行节段划分,从欧拉-伯努利梁的动力方程出发建立损伤程度、损伤区域位置参数与固有频率之间的矩阵函数,实现直接利用频率值变化评估构件不同区域损伤程度。研究结果表明,该方法能很好地识别结构局部损伤位置和损伤程度,尤其是对于结构局部刚度不均匀退化的评估具有明显的优势。     

基于应变模态差和神经网络的管道损伤识别

应变模态差对结构微小损伤具有很高的敏感性且对结构损伤处具有较高的定位识别率,故在工程实际中可以利用其对管道进行损伤识别。然而,应变模态差只能定性地反映结构的损伤程度,并不能直接量化损伤结构的损伤程度,故采用神经网络和应变模态差相结合的方法对损伤管道进行损伤位置和损伤程度的识别。利用有限元分析软件ANSYS进行模态分析提取管道的应变模态参数,并把管道损伤前后的应变模态差作为神经网络的输入参数,以损伤位置和损伤程度作为神经网络的输出参数,对损伤管道分别进行单损伤和双损伤的损伤定位和程度识别。研究结果表明,利用应变模态差和神经网络相结合的方法能够准确识别出管道的损伤位置以及损伤程度。     

基于互相关函数幅值和SVM的输电塔损伤识别

针对目前输电塔结构损伤识别中需要布设大量传感器的问题,提出了基于互相关函数幅值和支持向量机(support vector machine,简称SVM)的损伤识别方法。首先,定义初始与当前状态结构模态响应近似信号的互相关函数幅值差为损伤特征;其次,将损伤特征作为输入样本来训练支持向量机分类器,将损伤识别问题转化为模式分类问题;最后,利用2层角钢塔模型的振动试验,验证了方法的可行性。该方法仅需要少量传感器测得结构的动力响应,且适用于环境荷载激励,对输电塔结构损伤有较好的识别效果和噪声鲁棒性。     

基于归一化主模态差的装配式钢桥导梁损伤识别

为了解决装配式钢桥在结构损伤下的识别问题,选取了归一化主模态差作为标示量,对装配式钢桥导梁结构进行损伤识别。通过实测模型与有限元分析模型的固有频率和对应振型比较,验证桥梁导梁有限元模型的正确性;提出了运用归一化主模态差曲线图识别桥梁导梁损伤的方法,利用结构损伤时归一化主模态比无损伤时的归一化主模态刚度下降,损伤节点处振幅相对于正常状态数值增大,产生归一化主模态差正向突变来反映结构局部损伤的位置和损伤程度。通过模拟六种工况得到结构损伤部位会引起主模态差曲线的正向突变;并且损伤程度越重,对应的归一化主模态差越大。验证了损伤状态和正常状态之间的主模态差曲线可以判别装配式钢桥导梁的损伤位置和损伤严重程度。     

LOCALISATION OF DAMAGE IN SMART STRUCTURES THROUGH SENSITIVITY ENHANCING FEEDBACK CONTROL

The concept of sensitivity enhancing control (SEC) introduced previously by the authors exploits the relationship between feedback control gains and classic measures of root and system sensitivity in order to increase the magnitude of variation in modal characteristics when damage occurs. This paper further develops the SEC concept, focusing on the ability tolocate damage in smart structures. Two distinct methods are considered for locating damage. Forward methods rely on a priori knowledge of how certain damage scenarios affect modal properties. Using this information, the correlation between measured modal frequency shifts and predicted modal frequency shifts for a given set of damage scenarios is used to identify damage location. Inverse, or model updating methods attempt to update mass and/or stiffness matrices of structural models based on measured modal frequencies and mode shapes. The resulting perturbation matrices indicate damage location. Here, both methods are evaluated through finite-element simulation of controlled structures with local stiffness damage, with the goal of determining whether inclusion of modal data from feedback controlled structures enhances the localisation process. Results show that application of both forward and inverse methods to measured closed-loop modal characteristics increases both the accuracy with which stiffness damage can be located and the ability to tolerate noise in measurement of modal properties used to locate damage.     

基于灵敏度分析的机械系统损伤识别方法

提出了一种基于振动灵敏度分析的机械系统损伤识别方法。该方法同时考虑了固有频率灵敏度和固有模态灵敏度 ,既可用于损伤定位 ,也能用于确定损伤大小 ,且对单个损伤和多个损伤情况都适用。为了提高识别的精度 ,考虑了二阶灵敏度。针对工程实际的需要 ,分析了不完备模态和模态测量误差对该方法识别精度的影响。算例表明 :本方法合理可靠 ,具有足够的精度。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

基于小波分析的简支梁桥损伤识别

提出了基于小波子带信号能量曲率变化的损伤识别方法。分别对完好和损伤状态下结构的振动响应进行二进离散小波变换,通过信号子带分解与重构将响应分解到不同频带,使叠加的模态响应分离。定义了信号相对能量曲率差损伤指标,利用该指标对结构的损伤进行识别定位。应用此方法对一简支梁桥进行损伤数值分析,结果表明:二进离散小波变换可以对结构振动响应中叠加的多阶模态信息进行有效分离;信号相对能量曲率差指标可以对损伤进行有效识别,且不受激励位置及荷载大小影响。最后通过模型实验验证了该方法的正确性及可行性。     

不完整测量条件下检测桁架结构损伤的一种方法

提出一种利用不完整测量的模态数据检测桁架结构损伤的方法。首先采用改进的残余力向量法预先评估可能的损伤区域,在此基础上再利用特征值灵敏度法精确判断损伤位置和求解损伤程度。以一个平面桁架结构为算例验证该方法。结果表明,文中所提方法能在测量数据不完整的条件下成功识别出桁架结构的损伤情况。     

DAMAGE ASSESSMENT USING VIBRATION ANALYSIS ON THE Z24-BRIDGE

Vibration monitoring is a useful evaluation tool in the development of a non-destructive damage-identification technique, and relies on the fact that occurrence of damage in a structural system leads to changes in its dynamic properties. It can give global information of a structure, and the location of the damage has not to be known in advance. The damage-identification technique is based on the observed shifts in eigenfrequencies and modeshapes and relate the dynamic characteristics to a damage pattern of the structure. The presented technique makes use of the calculation of modal bending moments and curvatures to derive the bending stiffness at each location. The basic assumption is that damage can be directly related to a decrease of stiffness in the structure. Damage-assessment techniques are validated on the progressively damaged prestressed concrete bridge Z24 in Switzerland, tested in the framework of the Brite Euram project SIMCES. A series of full modal surveys are carried out on the bridge before and after applying a number of damage scenarios.     

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。     

基于固有频率的悬臂梁裂缝识别

结构中裂缝的存在使其模态参数发生改变 ,如局部刚度减小、阻尼增大、固有频率降低。把裂缝梁模拟成由扭曲弹簧连接 ,并对其前三阶固有频率的变化与裂缝位置和深度之间的关系进行计算和分析 ;利用特征方程以及前三阶固有频率 ,通过作图法对裂缝参数进行识别。识别结果证明 ,这种方法精度较高、简单可行 ,可用于机械工程实时监测。     

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。