基于单元应变模态差的网架结构损伤诊断研究

对具有一定程度损伤的网架结构来说,常规的结构有限元分析或实验模态分析得到的位移模态和频率难以有效地反映结构的损伤状况。为了提高诊断效率与诊断结果的可靠性,根据空间杆系结构的受力特点,利用两节点空间铰接杆单元有限元法,由节点位移模态推导出单元应变模态,提出采用结构损伤前后的单元应变模态差作为网架结构损伤定位的识别指标,并以损伤单元应变模态的差值大小确定损伤程度。通过对一个典型网架结构的数值模拟研究表明:该方法能够在低阶模态条件下,有效识别网架结构不同位置和程度的局部损伤;且在一定噪声水平下具有较强的鲁棒性,适用于实际观测条件下的网架结构损伤定位。     

基于模态应变能变化率的L形管道损伤识别

为识别L形管道的局部损伤,根据局部结构的振型、刚度矩阵和固有频率,得到管道局部的模态应变能变化率指标,并利用有限元软件ABAQUS模拟不同参数模型,得到低阶模态数据以及管道各单元的模态应变能变化率。模拟结果表明：采用该损伤指标,能够较好地确定L形管道的损伤位置,并且直管单元比弯曲单元对该指标更敏感;对同一单元不同损伤程度的对比,可以反映其损伤程度的大小;对L形管道不同弯曲角度进行模拟,该指标对不同弯曲角度L形管道的损伤识别具有普遍性;对L形管道不同缺陷长度进行模拟,模态应变能变化率指标在缺陷取周向长度的1/32时达到极限。     

基于单元相对刚度系数的结构损伤识别研究

提出了一种基于单元相对刚度的结构损伤识别方法。该方法以结构刚度变化率为损伤指标,定义结构的相对刚度系数,利用特征方程,通过矩阵变换得到结构损伤指标的相对刚度系数表达式,采用快速傅里叶FFT与贝叶斯相结合的方法(Fast Bayesian FFT)识别结构的模态参数,计算相对刚度系数,进而得到结构的损伤指标,便同时得到结构的损伤程度和损伤位置。利用Simulink模拟结构响应,识别结构模态参数,计算损伤指标判断结构损伤。结果表明,基于单元相对刚度系数的方法能利用较少的模态参数,实现单损伤和多损伤的定位和损伤程度识别,具有一定的抗噪能力,且精度较高。     

桁架结构损伤预测方法初探

综合运用模态曲率变化量与模态应变能变化率,提出了桁架结构损伤预测的方法。首先,应用ANSYS有限元软件建立梁式桁架的模型,分析其位移模态并模拟其损伤,并通过分析桁架上下弦的模态曲率变化量预测损伤区域。其次,计算损伤区域内杆件的模态应变能变化率,并将应变能变化率较大的杆件认定为损伤单元。数值模拟结果表明,该法可准确定位梁式桁架的损伤部位。     

基于响应面模型修正的桥梁结构损伤识别方法

及时、准确地发现桥梁结构的早期损伤,避免桥梁结构的突然破坏或倒塌,无疑具有重要的理论意义和重大的社会经济效益。文章提出基于响应面模型修正技术和单元模态应变能损伤指标的结构损伤识别方法,通过简支梁室内模型试验来检验方法的有效性,进而以下白石大桥为背景,通过数值模拟方法基于响应面模型修正和单元模态应变能指标进行下白石大桥支座损伤识别。结果表明:单元模态应变能损伤指标对开裂损伤和支座损伤具有较好的敏感性,可识别出多损伤位置和损伤程度,具有应用到实际工程结构进行损伤识别的潜力。     

基于模态应变能和小波分析方法的网壳结构损伤识别研究

工程结构损伤的识别与定位研究以往主要针对梁、框架等结构形式.损伤表现为信号局部特征的改变,而小波分析在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力.为提高结构损伤识别方法的准确性和适用性,将小波分析引入到网壳结构损伤识别中.根据小波奇异性检测理论,提出将模态应变能和小波变换相结合的方法对网壳结构进行定位,即以结构损伤前后单元模态应变能差作为结构损伤指标,对其分别进行bior6.8连续和离散小波变换,利用小波系数极大值点判断网壳结构有无损伤和损伤位置.以跨度40m的Kiewitt网壳结构为例进行数值模拟,结果表明:基于模态应变能和小波变换相结合的方法,在测得一阶模态下,不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置,证明该方法对此类结构损伤定位具有有效性和实用性.     

基于模态应变能的桥梁损伤识别

桥梁结构损伤识别是对桥梁结构进行安全性评定的一个重要环节。文中以模态应变能变化率作为损伤定位的判别参数,对桥梁结构的损伤进行定位,以简支梁为数值模拟对象,说明该方法能够比较准确地对结构损伤进行定位识别和损伤程度评估。     

基于小波分析的网架结构杆单元损伤检测研究

网架是以杆单元作为主要构件的结构,节点损伤信息无法反映损伤杆单元的真实位置。采用单元损伤信息作为杆单元损伤位置判定的参数,结合杆单元损伤前后的应变模态差,建立了杆单元应变模态损伤识别方法。损伤表现为信号局部特征的改变,而小波分析在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力,故将杆单元损伤前后应变模态差作为结构损伤指标,应用小波变换对网架损伤杆单元进行定位。将该方法应用于一个正放四角锥网架结构的杆单元损伤识别,结果表明,该方法在低阶模态下就能较准确地定位网架结构中单一或多个损伤的位置。     

基于模态振型和神经网络方法的人防工程结构损伤诊断

随着人防工程建设规模的扩大与发展,对人防工程结构的损伤诊断及其安全性评价已成为亟待解决的重要问题。本文提出了一种基于模态振型与神经网络相结合的人防工程结构损伤诊断方法,构造了以模态振型变化率为输入的BP神经网络。以某人防工程结构为算例,用单元弹性模量E的降低模拟结构的损伤位置和损伤程度,通过给定人防工程结构不同单元不同程度的损伤,计算结构的前3阶振型变化率绝对值之和作为BP神经网络的输入,计算分析表明,利用模态振型与神经网络相结合的方法能够准确地诊断出人防工程结构的损伤位置和损伤程度,能方便、有效地解决地下人防工程结构的损伤诊断问题。     

简支梁损伤识别的曲率变化率法

在曲率模态理论的基础上,引进了曲率变化率的概念,运用有限元分析软件ANSYS得到的结构位移模态分析数据,针对具有不同损伤状况的简支梁进行了结构的曲率模态变化率分析。研究结果表明,此方法能很好地识别出单个单元损伤和多个单元的损伤位置,还能够定性地分析出其损伤程度。     

基于Hilbert-Huang变换的结构损伤诊断方法研究

结构物在强震中将产生损伤,其动力特性发生改变,通过对结构瞬时频率的分析可以诊断出结构的损伤发展过程。本文探讨了基于Hilbert-Huang变换的结构物损伤诊断方法,研究了如何从结构地震响应信号中提取模态响应、识别损伤位置和损伤发展规律。采用本文方法分析了三层框架模型,结果表明:带有间歇检验准则的经验模态分解法,能够提取结构的模态振动响应;对比无损伤结构和有损伤结构的Hilbert边际谱,可以诊断出结构损伤的部位;分析模态响应瞬时频率的时变特点,可以直观地掌握振动中结构的损伤发展规律。采用本文方法分析Northridge地震中某建筑物的强震记录,得到了该建筑的损伤发展规律,并证明了此方法的可行性。     

基于摄动理论盾构隧道壁后脱空识别分析研究

隧道工程中的壁后脱空病害具有极强的隐蔽性和不确定性,针对盾构隧道中脱空损伤问题,研究了盾构隧道在脱空损伤下其动态特征的变化规律。采用摄动理论分析,建立表征脱空损伤系数η,并结合δ函数的性质,推导了脱空损伤下盾构隧道的模态特征解析式,并引入模态应变能损伤指数进行损伤定位。最后以上海地铁某盾构隧道为例,对无脱空损伤、脱空损伤条件下进行摄动理论分析及有限元分析,结果表明:无论采用摄动理论分析还是有限元分析都能较好地对脱空损伤进行动态演化分析,同时模态应变能损伤指数也能够较好地对脱空位置进行定位,可为基于动力特性的隧道脱空损伤识别和动态监测提供理论依据。     

Two-stage damage diagnosis approach for steel braced space frame structures

In order to diagnose the location and extent of damage in steel braced space frame structures, a two-stage damage diagnosis approach is proposed. This approach is comprised of the damage locating vectors method and eigensensitivity analysis. By deriving formulas used to calculate characterizing stresses in space frame members, and by defining characterizing stresses in connections, the damage locating vectors method is extended to locate damage in space frame members and connections. In addition, the simplified calculation of modal mass-normalization constants for damaged structures is improved. The first- and second-order sensitivities of the modal parameter discrepancies with respect to the structural model parameters and the stiffness matrix of beam elements with one damaged end are utilized. To verify the effectiveness of the proposed approach, numerical simulation analysis and experimental testing of a steel braced space frame model are performed. Ten and seven damage patterns are simulated in the numerical example and experimental testing, respectively. Modal parameters of the undamaged and damaged structures are extracted from the acceleration data using the natural excitation technique (NExT) and the eigensystem realization algorithm (ERA). The extended damage locating vectors method is utilized to determine potentially damaged elements. Based on the identified modal information, the extent of damage of the potentially damaged elements is estimated using the second-order eigensensitivity analysis. It is demonstrated that the two-stage damage diagnosis approach is effective when the damage of the members or connections in steel braced space frame structures reaches a certain level.     

改进的模态曲率改变率对三跨门式刚架损伤识别的研究

应用ANSYS建立工字型截面三跨门式刚架无损伤和有损伤模型,求解无损伤和有损伤情况下的三跨门式刚架节点位移,通过节点位移求出损伤前后的模态曲率。将改进的模态曲率改变率的损伤识别方法应用于三跨门式刚架的损伤位置和损伤程度识别研究。改进的模态曲率改变率法能够确定三跨门式刚架竖柱损伤位置,但不能判定损伤位置的损伤程度;对梁段的损伤位置只能确定一处损伤位置,多处损伤无法确定,损伤程度也无法确定。     

Multi-source information fusion applied to structural damage diagnosis

This study aims to import multi-source information fusion (MSIF) into structural damage diagnosis to improve its validity. Two structural damage identification methods based on MSIF are put forward, one of which is to fuse two or more structural damage detection methods by MSIF and another of which is the improved modal strain energy method by multi-mode information processing based on MSIF. Through a concrete plate experiment it is proved that, if two methods are integrated by character-level information fusion, structural initial damages can be more accurately identified than by a single method. In a simulation of a concrete box beam bridge, it is indicated that the improved modal strain energy method has a nice sensitivity to structural initial damages and a favorable robusticity to noise. These two structural damage diagnosis methods based on MSIF have good effects on structural damage identification and good practicability to actual structures.     

低温下钢结构裂缝损伤识别方法(Ⅱ)

利用截面抗弯刚度的降低来模拟这种裂缝损伤,并以简支梁为研究对象,分别针对单位置及其多位置损伤,利用有限元分析软件计算得到简支梁的位移模态,再通过应变和位移之间具有二阶导数的关系,对简支梁进行了应变模态分析。     

Use of Ritz method for damage detection of reinforced and post-tensioned concrete beams

Damage-induced changes in modal characteristics can be detected using experimental modal analysis. In this article, based on changes in natural frequency, mode shapes, and damping ratios, a methodology for detecting damage location and severity is presented. The damage was induced by application of point load at half span location on the reinforced and post-tensioned concrete beams. The load was gradually increased to obtain different crack patterns to be used in simulation of damage scenarios. Experimental modal analysis was performed on the undamaged and damaged beams. The natural frequency and mode shapes were used to determine the location of damage. The approach is developed at an element level with a conventional finite element (FE) model by Ritz method, which is called Ritz damage detection method (RDDM). The mathematical model for both damped and undamped damaged structures have been established through the eigenvalue equations. The singular value decomposition (SVD) technique is used for determination of damage or sound index. These indexes are sensitive to the change of dynamic characteristics due to damages. This approach is applied to five simply supported post-tensioned concrete beams. The numerical results show that the exact location and severity of damage for different simulated damage scenarios could be efficiency found by the present methodology.     

基于应变模态的结构损伤识别与定位研究

探讨了用应变模态对结构损伤进行分析的原理及损伤识别与定位的方法。以悬臂结构为研究对象,分析比较了因结构损伤引起的自振频率、位移模态和应变模态的变化。结果表明,应变模态对结构局部损伤的反应敏感,是对结构进行损伤诊断的较理想的损伤识别指标。