柱壳结构损伤识别方法

摘 要:对柱壳结构的损伤部位和程度进行识别是柱壳结构进行安全性评定的一个重要环节。本文对柱壳结构损伤前后动力特性进行了分析,采用摄动法推导了由于单元损伤引起的各阶模态振型改变系数;推导了模态应变能变化与单元损伤之间的关系;采用单元模态应变能的变化率作为柱壳结构损伤诊断的标识量,证明了单元模态应变化率对损伤的敏感性。对柱壳结构损伤识别方法进行了研究,所提出的方法仅需要量测的低阶模态信息和刚度矩阵就能完成结构的损伤识别。最后,以一混凝土柱壳结构为工程实例,对其在不同损伤情况下的损伤进行了分析,结果表明,所提出的损伤识别方法能够很好地识别不同损伤组合下的损伤部位和程度,同时能较好地识别结构小损伤,因而证明了本文所提出的方法的正确性和有效性。 关键词:柱壳结构;损伤识别;动力特性;损伤标识量;模态应变能     

基于Bayesian估计的整体和局部信息融合的损伤识别

在结构损伤识别中,如何充分利用整体和局部传感器测试得到的信息来增加结果的准确性是一个值得研究的问题。该文提出基于Bayesian 理论的结构整体局部信息融合的损伤识别方法。首先根据Bayesian理论建立了关于频率、位移模态和应变模态结构损伤的概率模型,静态应变信息提供了Bayesian理论的先验信息,使该概率模型充分利用了各种传感器信息;然后为了减少计算量,采用分步损伤识别的方法,在采用模态应变能指标初步定位损伤范围的基础上,用该文提出的逐个单元消去法定位损伤单元。最后对20 跨刚桁架模型进行试验研究证明了该方法的有效性,并且比较考虑与不考虑应变传感器信息的损伤识别结果。     

基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究

针对单一方法对结构同时发生多处不同程度损伤识别的不敏感性缺陷,本文结合小波变换在时域、频域内表征信号局部特性且能够聚焦到信号或函数的任意细节进行处理的能力,提出了一种基于单元模态应变能和小波变换的结构损伤识别方法。在单元模态应变能基础上,利用小波变换系数的变化和分布情况构建单元模态应变能小波变换结构损伤指标,通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型试验研究的结果与单元模态应变能平均变化率作为损伤识别指标的计算结果进行对比,结果表明该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度,为实际工程应用奠定了基础。     

比例损伤结构的两阶段损伤识别研究

为了提高结构的多损伤识别效率,提出一种先利用归一化条件下的模态应变能变化进行结构损伤定位,然后再利用改进的频率变化法进行损伤定量的两阶段损伤识别方法。该方法首先对损伤前后的单元模态应变能进行归一化处理,提出基于归一化条件下的模态应变能变化率的损伤定位指标并对结构进行准确的损伤定位识别;其次,在确定损伤位置的基础上,建立了只跟损伤单元数目相关的基于比例损伤模型的损伤定量方程,并用最小二乘技术进行损伤程度的求解。为了验证所提方法的有效性,以一个单跨6节平面桁架结构为例进行数值模拟。仿真结果表明,所提方法不但可以准确地识别出结构的损伤位置和程度,而且对测量噪声具有较强的鲁棒性。     

基于模态应变能法的弹性薄板损伤识别

针对薄板构件振动疲劳损伤问题,提出基于模态应变能结构损伤识别新方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为依据,通过比较弹性薄板结构单元损伤前后的模态应变能变化率构造损伤指针。在构建损伤指针之前,假定弹性板的刚度是由单元刚度组成,在定义单元刚度灵敏度公式基础上建立弹性薄板损伤前后模态应变能变化关系。最后,基于模态柔度曲率法验证模态应变能法在弹性薄板单损伤与多损伤识别方面的优劣性。     

基于代数算法的单元模态应变能灵敏度分析

模态应变能在基于振动的结构损伤识别中得到了广泛的应用,其灵敏度分析成为了当前的一个重要问题。采用代数方法解析推导出了无阻尼线性系统单元模态应变能一阶和二阶灵敏度的解析表达式,该表达式简洁紧凑,便于编程,而且只需一阶模态信息,不存在模态截断引起的误差问题。通过数值模拟算例,对得到的单元模态应变能一阶灵敏度进行了参数分析,并着重考查了损伤及其噪声的影响。结果表明,低阶单元模态应变能比高阶模态能更好地反映出结构损伤,而且抗噪能力更好。     

基于遗传神经网络与模态应变能的斜裂缝两阶段诊断方法

基于遗传神经网络与模态应变能,提出了一种斜裂缝两阶段诊断方法,识别梁体中斜裂缝的位置、角度和深度。根据线弹性断裂力学与虚功原理,推导了斜裂缝梁的单元刚度矩阵,得到了其频率与振型。采用遗传算法对BP神经网络的拓扑结构、权值和阈值进行优化,从而建立了遗传神经网络,用于识别梁体中斜裂缝的位置和角度;结合斜裂缝单元的模态应变能,通过对斜裂缝应力强度因子的积分,得到斜裂缝深度的解析表达式,用于识别斜裂缝的深度。数值仿真表明:能够高精度地诊断出梁体中斜裂缝的损伤状态,包括位置、角度和深度;与BP神经网络相比,遗传神经网络具有更强的泛化能力,且对测量噪声具有较好的鲁棒性。     

基于工作应变模态损伤识别方法的试验研究

首先介绍了笔者近几年提出的工作应变模态频域识别方法、基于损伤应变模态差分原理的损伤位置直接指标法、基于局域应变模态面积的损伤程度直接指标法。为了验证所提方法,开展了悬臂梁多损伤物理模型试验及数值仿真计算分析,结果表明,利用该方法识别出的工作应变模态与锤击激励下的应变模态形状相似。初步验证并完善了损伤位置、损伤程度直接指标法。位于损伤处的损伤位置直接指标值远大于非损伤处指标值,识别出的损伤位置与实际损伤位置一致;同一损伤量下的损伤程度指标值变化不大,与损伤位置、模态阶数、是否归一化无关;对于多损伤结构,只要损伤间距大于影响区范围,损伤位置、损伤程度即可按单损伤方法确定。     

信噪比对海洋平台整体损伤检测影响

以海洋平台结构整体损伤检测中的测量噪声作为研究对象,提出损伤单元模态影响系数的概念。通过一系列冲击激励的物理模型试验,采用基于局部测量的模态应变能法,分析振动信号信噪比和损伤单元模态影响系数对损伤检测的影响规律。试验结果表明当模态影响系数较大(大于5)时,用很小的信噪比数据就可以准确识别出损伤单元位置和损伤程度;当系数较小(小于0.5)时,用最大的信噪比数据也无法准确识别;当系数为临界值(0.9～1.5)时,信噪比对结果影响较大,只有信噪比较大(大于20)时,才能准确识别损伤位置,当信噪比小到一定值(小于10)时,损伤定位和损伤程度评估均无法实现。     

改进模态应变能法在混凝土组合箱梁桥损伤诊断中的应用

为提高结构损伤识别方法的准确性和对噪声的鲁棒性,将多源信息融合技术引入到结构损伤识别方法中。针对模态应变能法诊断结构损伤一般需要完备模态的特点,采用信息融合技术对各阶模态应变能进行融合,建立了基于信息融合的改进的模态应变能法。通过对一座预应力混凝土组合箱梁桥损伤识别数值算例的分析,可以看出该方法具有良好的损伤敏感性,仅需要较少的低阶模态就可识别结构的早期损伤;同时,该方法具有噪声鲁棒性,当加入噪声等于或小于10%时可以准确识别结构的早期损伤。因此该文提出的基于信息融合的改进的模态应变能法具有较好的工程实用性。     

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。     

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。     

基于模态应变能耗散率理论的结构损伤识别方法

本提出了基于模态应变能耗散率理论的一种新的结构损伤识别方法。表示结构损伤的损伤变量的概念来自于材料领域，并推广到了构件和结构；在此基础上，结构单元的损伤变量是通过建立模态应变能耗散率和相应的结构损伤前后的应变能变化的关系而获得。该方法所要求的结构损伤前后的振型模态可以是不完备的。对测量噪声的影响具有较强的鲁棒性。最后，通过数值算例的分析结果说明，该方法简便、有效，可定位结构的损伤和识别损伤的程度。     

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。     

大跨斜拉桥扁平钢箱梁的多尺度损伤分析研究

以润扬大桥斜拉桥为分析对象,提出了扁平钢箱梁结构的多尺度损伤分析方法。采用子结构方法将钢箱梁结构全尺度动力响应和细节尺度构件损伤相互衔接实现多尺度损伤分析。在此基础上对模态曲率、模态应变能、模态柔度和斜拉索索力指标的损伤识别效果进行了比较研究。分析结果表明:(1)无噪声情况下,除了模态柔度指标不能够正确识别钢箱梁腹板损伤以外,各损伤指标均能正确识别其余所有损伤工况。(2)对大多数情况,柔度指标的抗噪性最好,曲率指标和应变能指标次之,索力指标最差;(3)应变能指标和柔度指标在钢箱梁结构损伤定位上具有一定的互补性。     

Two-Stage Multi-damage Detection Method Based on Energy Balance Equation

In order to solve structural multi-damage identification problem, a two-stage damage detection method based on energy balance equation and evidence fusion is presented. First, a Frequency Change Identification (FCI) method and Modal Strain Energy Dissipation Ratio (MSEDR) method are utilized to preliminarily identify structural damage locations, and then a Fusion Damage Localization (FDL) method based on evidence theory is proposed to precisely detect damage locations. The FDL method mainly utilizes evidence theory to combine both the FCI localization information and the MSEDR localization information. Thus, more precise damage localization information can be acquired. After the damaged locations are determined, an Energy Balance Equation (EBE) index is presented to identify structural damage extent. Considering that strain energy dissipation should be equal to the change of modal strain energy, a quartic EBE equation is deduced, and structural damage extent can be obtained through the solution of the equation. An average quantification index is also proposed to improve identification precision. The simulation results demonstrate that the FDL method can perfectly detect structural damage locations, and the EBE index and average index can identify structural damage extent.     

基于岭估计和L曲线的损伤识别技术研究

为了解决结构损伤方程求解的可靠性问题,提出了基于岭估计和L曲线的损伤方程求解方法。首先描述了基于模态应变能灵敏度的结构损伤方程,然后考虑测量噪声等因素易造成病态的损伤方程问题,提出了采用岭估计求解结构的损伤方程,并利用L曲线确定最优的岭参数,最后建立了损伤估计值的修正方法。数值仿真结果表明,基于修正的岭估计和L曲线方法可以较为精确地识别出损伤的位置和程度,而且其定量识别结果明显好于基本的岭估计和L曲线方法以及一般的截断奇异值分解法。