基于频率响应的不同结构损伤识别方法研究

为了解决结构损伤中的刚度和质量识别问题,将测量的响应位移应用于结构的损伤识别中,并提出了多频率激励损伤识别方法和改进的单频率激励损伤识别方法。对于多频率激励情况,首先分析了结构损伤的基本理论,然后推导了其刚度损伤指标和质量损伤指标的识别公式;对于单频率激励情况,则首先根据结构的刚度特性和质量特性确定结构损伤的简化定位方法,在此基础上提出了其相应的迭代改进策略,以提高识别的精度。数值仿真结果表明:对于刚度影响占主导地位的桁架结构,多频率激励法对于刚度损伤的识别效果较好,对于质量损伤的识别效果较差;而采用改进的单频率激励识别策略,则可以更好的识别出刚度和质量的损伤,其识别结果优于多频率识别法和简化单频率识别法。     

网壳结构损伤分区定位的模型试验研究

提出了一种适合于网壳结构的损伤分区定位方法,该方法对网壳结构进行区域划分并按区布置传感器,通过单点激励得到结构的高阶模态响应,利用随机减量技术和ITD法获取模态参数,再利用损伤前后高阶振型的差值来定位损伤区域。最后,通过对一个单层椭球面网壳结构模型的振动测试试验,验证了所提方法的可行性。     

框架结构损伤定位的比例柔度矩阵分解法试验研究

提出了基于比例柔度矩阵LU分解的结构损伤定位方法。该方法从结构振动响应入手,首先识别出结构前几阶模态振型和频率,构建结构比例柔度矩阵;然后对损伤前后的比例柔度矩阵差进行LU分解;最后基于U矩阵和曲率方法构建损伤指标对损伤进行定位。基于某20层框架结构进行了数值模拟损伤定位研究;并在实验室设计、建造一个6层集中质量剪切型框架模型,基于该模型分别进行了振动台试验和脉冲激励试验。模拟和试验下的单损伤和多损伤工况结果均表明:提出的方法能准确地对结构损伤进行定位。该方法只需要损伤前后测点的振动响应数据,不需要结构有限元模型,避免了复杂的结构有限元模型建模和模型修正工作;并且构建一个满足精确度的比例柔度矩阵只需要结构的前几阶低阶模态参数,而低阶参数的识别准确性相对较高,这些优点均为该方法的工程应用奠定了基础。     

损伤定位向量法原理及应用

该文中证明了损伤定位向量存在的条件,推导了梁、柱和支撑单元的特征应力计算公式,改进了损伤后振型质量归一化系数的简化求解。完成了一个空间钢支撑框架模型损伤定位的数值模拟分析,模拟了包括支撑损伤和连接损伤的7种损伤模式。分别采用力锤激励和环境激励两种激励方式;使用自然激励技术和特征系统实现算法进行模态参数识别,得到了模态频率和振型;使用损伤定位向量法判定损伤单元,并对两种损伤模式进行了误差分析。结果表明:当损伤达到一定程度时,损伤定位向量法能有效判定损伤单元。     

基于经验模式分解的框架结构螺栓松动检测实验研究

螺栓松动损伤具有非线性特征,在低、高频激励共同作用下,结构动力响应会出现高频激励与结构固有频率之间的调制现象。利用该调制现象,本文发展了一种基于经验模式分解(EMD)的螺栓松动检测方法,分别对高频正弦和随机激励下结构响应信号进行EMD分解并作功率谱分析,采用EMD分解后含有调制成分的高频固有模式函数(IMF)构造能量损伤指标来识别结构螺栓松动。采用多尺度法进行单自由度非线性模型分析解释高频调制现象,并通过螺栓连接框架结构的振动实验验证了该方法的有效性。结果表明,螺栓松动时,响应信号频域中出现高频激励与固有频率间的调制成分,所构造的能量损伤指标能够有效识别螺栓松动损伤,并且对于初始松动损伤识别更为敏感。     

复合材料梁结构损伤定位的无参考点互相关分析方法

改进了基于互相关函数的损伤检测方法,不需要定义参考点就可以对复合材料梁结构的损伤进行定位。首先采集完好结构各测点的两组加速度响应,一组作为参考响应,另一组作为其特征响应;当结构发生损伤后,采集损伤结构各测点加速度响应作为其特征响应,分别计算完好结构及损伤结构的特征响应与参考响应间的互相关函数;以各测点响应互相关函数最大值在结构完好与损伤之间的相对变化作为损伤指标,对不同测点间的损伤指标进行差分处理,获得相应的损伤定位指标以定位损伤。针对蜂窝夹层复合材料梁单位置损伤和多位置损伤的损伤检测实验表明,该方法仅利用各测点在随机激励下的振动响应信号便可以准确定位损伤。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

泄洪激励下高拱坝损伤识别的互熵矩阵曲率法

提出一种基于泄洪激励下动响应能量进行高拱坝损伤识别的互熵矩阵曲率法,即利用拱坝损伤前后的相对响应熵矩阵,分别对其列、行进行差分求得互熵曲率矩阵,并以其对角元素作为检测拱坝结构损伤指标的新方法.该方法仅需拱坝的环境激励响应信号,不论对其单一损伤、轻微损伤,还是多种损伤,均能够定位损伤和定性反映损伤程度.通过数值模拟分析,验证了该方法检测拱坝损伤的有效性.     

基于导波的焊接方管损伤检测的仿真与实验分析

基于导波的损伤检测方法是结构健康监测领域的研究热点,并在工程应用上表现出很大的潜力。通过有限元仿真和实验分析的方法对某型列车底盘转向架局部焊接方管结构上的损伤检测问题进行研究。仿真中建立结构的三维模型以模拟导波在其中的传播过程,实验中采用主动式换能器网络激发和接受在结构中传播的导波。优选激励频率以减少导波固有的多模式现象对后续信号分析的影响。借助小波变换和希尔伯特变换等方法对所有采集到的信号进行处理,并利用“导波三角定位法”进行损伤定位。实验结果验证了该方法的有效性。     

基于互相关函数幅值向量的结构损伤定位方法研究

在利用互相关函数幅值向量（Correlation Function Amplitude Vector，CorV）进行结构损伤检测的方法基础上，进一步提出了利用互相关函数幅值向量来确定受损结构的损伤位置的方法。通过在随机激励下不同测点的时域响应求得结构互相关函数幅值向量后，对损伤前后结构的互相关函数幅值向量进行二阶差分处理，根据差分处理后的互相关函数幅值向量分布图可以直观地判别出结构损伤的位置。用一个四边固支板和一个四层楼房基准模型的损伤定位为算例，验证了所提出方法的有效性和准确性。算例表明，用所提出的方法只需要测量结构受随机激励的时域响应，就可同时确定多处结构损伤的位置，且具有较好的抗测量噪声能力。因此，所提出的方法可应用于环境随机激励下的结构健康监测技术。     

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。     

基于虚拟时间反转的高分辨率复合材料板结构损伤成像

针对传统时间反转(TR)方法消除Lamb波传播时间和操作复杂的问题, 提出了虚拟时间反转(VTR)方法。该方法采用换元激励和接收机制以保留时间信息, 并运用信号运算代替物理TR操作。讨论了基于阶跃激励获取损伤监测路径传递函数的VTR实现过程。提出了基于VTR的高分辨率损伤成像方法。为了降低复合材料各向异性的影响, 在成像中进行了速度修正。实验结果表明, VTR方法能对碳纤维复合材料板中的Lamb波损伤散射波包进行部分再压缩和TR聚焦, 通过本文中成像方法也能清晰显示出板中单个和两个近邻损伤。      

基于斜拉索振动测量与神经网络技术的斜拉桥损伤位置识别方法

以香港汲水门大桥为背景,探讨了斜拉索张力指标和神经网络技术相结合对桥面结构损伤的定位或分类方法。基于高精度三维有限元模型,采用BP网络,模拟了12种可能的损伤情况的定位。以不同损伤程度下斜拉索张力指标作为神经网络的训练与测试输入,由神经网络的输出来指示损伤位置。该方法的突出优点是只用到少量斜拉索的局部模态的基频,就能获得较好的识别结果。而对少量斜拉索的局部模态的基频测量要比其它面向损伤检测的测量容易得多。另外,该方法可十分方便地推广应用于悬索桥的桥面损伤定位。因此,该方法具有重要的实用价值。     

Low energy impact damage monitoring of composites using dynamic strain signals from FBG sensors - Part II: Damage identification

In part I of this two-paper series, a method for the localization of an impact using dynamic strain signals from fiber Bragg grating (FBG) sensors is presented. In this paper, an inverse numerical-experimental method allowing to identify the damage based on experimentally measured eigenfrequency changes is developed and validated. The damage identification is limited to a region in the vicinity of the impact position predicted by the localization method. The eigenfrequency changes are determined experimentally from dynamic strain signals obtained with embedded FBG sensors and the parameters of a homogenized damage model are adjusted to fit the numerical results to the experimental data.     

基于神经网络的桥梁损伤位置识别

损伤位置识别是对大型桥梁结构进行损伤检测的重要一步。以汲水门斜拉桥为背景,对应用神经网络的模式分类技术识别桥面结构损伤位置的方法进行了研究。使用了两种类型的网络,简称动态网络和GA网络,探讨了这一方法的可行性。动态网络的网络结构是根据训练进程而动态地确定的。GA网络是在训练中引进了遗传算法。比较了两种网络对损伤位置的识别效果。结果表明,应用神经网络的模式分类技术对桥梁桥面结构损伤位置识别的方法是可行的。只需要较少的输入数据,两种网络均可产生较好的识别结果。     

结构损伤识别中灵敏度法的改进

针对原有灵敏度法对复杂结构损伤识别中存在的不足（误判损伤位置和高估损伤程度），本文对其进行了改进。改进后的方法仅利用结构损伤前后的前两阶模态参数即可确定结构损伤的位置并评估结构损伤的程度。为验证改进后方法的有效性，利用二维钢架结构有限元模型数值模拟了五种典型的损伤工况，用原有灵敏度法和改进后的方法进行了识别。结果表明，与原有灵敏度法相比改进后的方法提高了结构损伤识别的精度，并且该方法简便，有望应用于实际结构中。     

基于小波包分析的Benchmark结构损伤预警试验研究

在基于小波包能量谱的结构损伤预警方法基础上,开展了Benchmark结构损伤预警的试验研究.通过Benchmark试验模型模拟结构的多种损伤状态,并采集模型在结构损伤前后的动力响应,在此基础上计算了结构损伤预警的小波包能量谱及其损伤预警指标.试验结果表明:基于小波包能量谱的结构损伤预警指标具有良好的损伤预警能力,可以准确地判定结构初期损伤的发生.     

《一种基于柔度的结构损伤定位新方法》

针对现有基于柔度变化的损伤定位方法在理论上仍存在错误定位的可能,从结构刚度矩阵与柔度矩阵的正交性出发,结合矩阵摄动理论及有限元理论,提出一种新的基于柔度变化的结构损伤指标,此方法仅需要结构的前几阶模态参数即可实现准确的损伤定位。通过一平面桁架结构的数值模拟证明该方法的有效性、优越性,该方法有望用于复杂结构的损伤定位分析中。