基于模态柔度曲率的损伤检测方法

由于模态柔度对结构损伤的高灵敏性,各种基于模态柔度的检测指标在结构无损探伤NDE(Nondestructive Damage Evaluation)中应用较多,如模态柔度差、模态柔度改变率和均匀荷载面曲率差等。这些指标经应用验证都具有一定的有效性。在此基础上,采用模态柔度曲率的改变构建一种新的指标,称为模态柔度曲率差(MFC)。尽管均匀荷载面曲率差也采用曲率,但不同的是它先将模态柔度矩阵按行加起来,再求损伤前后的曲率差。而提出的模态柔度曲率差则按列计算损伤前后模态柔度矩阵的曲率差,然后挑选每列里面最大的值作为指标。采用一个简支梁和一个四跨连续梁为算例,考虑各种损伤情况,将该指标与模态柔度差、模态柔度改变率和均匀荷载面曲率差、以及振型曲率改变率等指标进行了比较,证明了模态柔度曲率差检测损伤的有效性和优越性。     

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。     

基于柔度差曲率矩阵的结构损伤识别方法

柔度是较频率和位移模态更敏感的结构损伤标示量。提出利用结构损伤前、后的柔度矩阵,先后对柔度矩阵差的列、行进行两次差分,求得柔度差曲率矩阵(δFlexibility Curvature Matrix),并以其对角元素作为检测结构损伤指标(δFCMD)的新方法。该方法仅需低阶模态参数即可进行损伤检测,不论对简支梁、悬臂梁、固支梁,或多跨连续梁,单一位置损伤、支撑处损伤、轻微损伤,还是多种损伤共存,均具有损伤定位的能力、并能定性反映损伤程度。通过与已有的柔度差、柔度变化率、均匀荷载面曲率差等柔度指标的数值模拟分析研究,显示了该指标检测损伤的有效性和优越性。     

柔度曲率法在输电塔损伤识别中的应用

在结构指纹识别方法中,基于柔度法的损伤识别方法能够较好地识别损伤所在位置及程度,在柔度法的基础上构建柔度曲率损伤识别指标及柔度矩阵曲率差损伤识别指标,并将其引入到输电塔结构损伤识别中。由于输电铁塔具有三个平动分量,所构建的两种损伤识别指标也具有三个方向分量,其在输电塔上的识别效果需要进一步分析。建立51 m酒杯型输电塔模型,分别采用两种指标对结构不同程度的单损伤及多损伤进行识别。研究结果表明,仅结构垂直方向分量的损伤识别指标能够识别结构损伤,但柔度曲率对于小损伤位置无法识别;柔度矩阵曲率差对小损伤位置也能较好地进行识别。     

斜拉桥桥面结构损伤位置识别的指标比较

以香港汲水门大桥为背景,应用高精度三维有限元模型,对斜拉桥桥面结构损伤位置识别的模态曲率指标、模态柔度指标和斜拉索张力指标进行了比较研究.主要比较了(1)在无噪声情况下,三损伤指标对各种不同损伤情况的识别效果;(2)三损伤指标对损伤程度的敏感性;(3)三损伤指标的抗噪声能力.获得以下结论:(1)曲率和柔度指标在损伤定位上对不同类型的损伤情况显现一定的互补性;(2)同曲率和柔度指标比较,索张力指标对不同的损伤程度呈现较好的稳定性;(3)对大多数损伤情况,柔度指标的抗噪性最好,曲率指标最差.     

基于叠加曲率模态改变率的梁结构损伤诊断

通过理论分析证明曲率模态差指标存在两个不足：一是对曲率模态节点处损伤不够敏感,二是不能有效反映损伤程度。对曲率模态差指标进行改进,提出叠加曲率模态改变率指标,理论上克服了原指标的不足。采用连续梁算例进行对比验证,结果表明新指标能够同时反映损伤位置和损伤程度,较曲率模态差指标更加优越。最后提出了基于新指标的单元损伤因子估算方法并验证了有效性。     

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。     

利用模态参数进行弹性薄板的损伤识别

以一四边简支矩形弹性薄板为研究对象，通过数值计算得到板损伤前后的多阶模态，进而利用板损伤前后的位移振型比及柔度差来进行板的损伤识别研究。结果表明一阶振型比及柔度差均可用于结构损伤的检测与定位，并能大致判断损伤的程度。其中又以一阶位移振型比的精度为优。     

基于不完备损伤指标和遗传算法的特大桥损伤识别和传感器布点优化

特大桥健康监测系统不可能在所有自由度安放传感器,该文讨论了用由不完备振型建立的损伤指标的损伤识别和传感器布点优化方法。与过去用遗传算法优化传感器布点的适应度函数不同,该文用损伤指标最灵敏来建立适应度函数。对桥梁的单个损伤,该文用不完备模态柔度矩阵差和截断模态应变能变化率两个不完备损伤指标作为适应度函数来优化传感器布点,并与传统的COMAC指标对比,还改进了多种群遗传算法,以提高收敛速度和全局寻优能力。并以西堠门悬索桥有限元模型为例,识别不同部位的损伤。算例表明:该方法在损伤识别和传感器布点优化方面不仅可行而且有效。     

基于柔度矩阵对角元素变化的起重机主梁损伤识别

国内的桥架型起重机大部分老化严重且长期服役于复杂的工况环境,在生产工作中存在巨大安全隐患,对起重机结构的损伤识别进行研究十分必要.模态柔度因其方便获取以及对损伤的敏感性等优势,成为工程应用方法研究中的关键动力学参数.本文以门式起重机简化模型为研究对象,建立有限元模型.通过降低主梁局部单元的杨氏模量以模拟损伤,从不同损伤形式的识别效果和抗噪性能上对模态柔度矩阵对角元素差值和差值曲率两种方法进行了对比研究.相比于柔度矩阵对角元素差值,差值曲率法可以明显提高损伤识别效果,但差值法比差值曲率法的抗噪性能好.     

模态曲率差法对梁结构的损伤诊断

首先在理论上证明模态曲率差法,对结构损伤识别的可行性,提出了用损伤前后的模态矢量差,来计算结构损伤因子矩阵的计算公式。为验证方法的正确性,采用一个标准梁算例给予验证,算例表明该方法对结构的损伤位置和损伤程度具有准确的识别能力。并在此基础上,根据两个线性假设,提出了一种可用于评价结构寿命的简易、有效的计算方法。     

基于模态柔度矩阵的结构损伤识别

基于模型修正技术的结构损伤识别方法,无需事先知晓结构的损伤位置,比仪器直接探测更具优势。模型修正大多以模态频率和振型为修正目标。然而,结构损伤对系统的模态频率和振型影响较小,采用模态频率和振型为目标的传统修正方法,难以识别出结构的损伤。为此,引入对结构损伤极为灵敏的模态柔度矩阵,研究以模态柔度矩阵为目标函数的损伤识别方法。选取某带孔的矩形长铁片为研究对象,沿其纵向等分为31块,计算模态柔度矩阵关于各等效模量相对量的灵敏度。结合灵敏度矩阵,利用实测和有限元模型间的柔度矩阵残差建立目标函数,并引入正则化方法求解目标函数的超定方程组。经过9次迭代目标函数收敛,损伤识别结果与实际值保持高度一致,从而验证该方法的正确性和实用性。     

一座桥梁研究新平台的静动力试验研究EI北大核心CSCD

美国新泽西州的一座四跨简支梁桥被选为Benchmark模型,作为国际旧桥性能研究和评估的新平台,国际上近十多所知名高校和测试咨询检测机构对该桥进行了系统的结构静动力试验及无损检测研究。该文简要介绍了该桥的选择过程和项目的基本情况,对该桥的南侧第2跨静动力试验结果进行了介绍。动力试验采用多参考点脉冲锤击法以得到结构的动力模态柔度,静载试验利用卡车进行加载,对比模态柔度下的弯沉与静载试验下的弯沉显示该方法能为结构损伤识别提供有效的决策支持。     

火箭蒙皮上梁结构的损伤识别方法研究

针对火箭蒙皮上梁结构损伤识别问题,首先利用基于模态应变能的损伤识别指标,对火箭蒙皮上梁结构进行损伤位置识别,再利用基于广义柔度矩阵的损伤敏感函数并结合遗传算法,对火箭蒙皮上梁结构进行损伤程度大小的计算。该损伤识别方法以结构损伤导致模态参数变化为依据,通过对比损伤前后模态应变能变化构建损伤识别指标。在数值仿真中,对T型梁进行了方法验证,发现该方法能够准确识别损伤位置和大小。最后根据火箭蒙皮上T型梁结构特点,设计试验并研究了方法的可行性,发现在T型梁结构上,该方法能够有效地识别损伤位置和大小,误差均在5%以下。     

一种基于频率响应曲率的损伤检测多步判定方法

在频率响应曲率指标基础上,提出了一种多步的检测方法,使用少量的传感器进行多步判定,来提高损伤定位的准确性和可靠性。通过简支梁的有限元数值算例,详细比较了改进的模态曲率方法、改进的柔度曲率方法和该文提出的方法对梁状多损伤结构的识别效果和抗噪能力。最后采用试验建模的技术,对局部减薄的多损伤管道和局部裂纹的单损伤管道进行损伤识别试验,结果验证了该方法的优越性,对解决实际工程结构的损伤检测问题具有一定的意义。     

利用组合参数的结构损伤识别及试验研究

利用状态向量直接求导的新方法，全面地分析了基于结构振动模态参数(频率、特征向量和动柔度)关于设计参数(质量、刚度和阻尼)的相对灵敏度。该方法比传统的方法计算简单方便，而且弥补了传统方法中参数考虑不全的缺点，这样更符合实际工程。对一框架结构进行了数值模拟分析，研究表明动柔度矩阵关于结构刚度灵敏度相对于其他模态参数为最高，振型次之，频率为最小，这对选取损伤特征参数时有重要参考价值。提出由结构前几阶固有频率变化率、频率变化比值以及动柔度置信因子构成的组合参数作为神经网络的输入向量的损伤识别方法，对于多种工况进行了框架结构模型的振动试验。试验结果表明：采用组合参数训练的神经网络，对结构损伤位置和程度识别较采用单一参数具有更好的识别效果。     

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。     

薄板损伤检测的高斯曲率模态差方法

采用结构损伤前后振动的曲率模态差来检测薄板结构的损伤,引入微分几何理论中曲面上一点的高斯曲率概念,通过该点上两个主曲率求其高斯曲率,同时用中心差分求解薄板结构损伤前后的曲率模态值,利用其差值确定薄板的损伤位置,进而确定损伤程度。数值仿真的损伤检测算例表明,曲率模态检测方法的损伤识别精度令人满意。     

温度影响下基于主成分分析和模态柔度的结构异常检测

在基于振动的结构损伤识别中,很多结构动力学的参数可用作损伤特征参数,如共振频率、振型、模态柔度等.结构损伤会引起损伤特征参数发生改变,但环境因素和运营条件的影响也会使这些特征参数发生变化,而且这种变化往往会掩盖结构自身损伤所引起的特征参数变化.如何剔除或减少诸多环境因素的影响,得到结构本身的真实状况(有损或无损),成为了桥梁损伤检测和健康监测中的一个关键问题.选用对结构损伤较为敏感的模态柔度作为损伤特征参数,通过数值模拟算例对比分析了结构局部损伤和温度变化对模态柔度的影响;对结构在不同状态下的模态柔度进行主成分分析,用残差建立其统计分布模式,用统计模式识别的方法识别模式差异,实现考虑环境因素影响的结构异常检测.结果表明,若不考虑温度对模态柔度的影响,易对桥梁结构的健康状况产生误判;运用基于主成分分析的结构异常检测方法可有效剔除温度对模态柔度的影响,实现结构异常的检测.     

基于曲率模态查的四边简支薄板的损伤检测

本文采用结构损伤前后振动的曲率模态差来检测薄板结构的损伤,引入微分几何理论中曲面上一点的高斯曲率概念,通过该点上两个主曲率求其高斯曲率,同时用中心差分求解薄板结构损伤前后的曲率模态值,利用其差值确定薄板的损伤位置,进而确定损伤程度。数值仿真的损伤检测算例表明,曲率模态检测方法的损伤识别精度令人满意。