基于曲率模态的薄板结构的损伤定位研究

对某两端固支的板结构进行有限元建模,得到结构位移模态数据。针对不同损伤程度、不同损伤位置下的单损伤和多损伤的情况,选取结构损伤前后的曲率模态差作为损伤定位的指标,对其进行损伤定位。对于弹性薄板结构提出分别考虑节点两个方向上的曲率模态的变化损伤定位准则,综合两个方向上得到的曲率模态的变化,认为两个方向上都出现突变的单元即为损伤的单元。仿真结果显示,仅利用弹性薄板结构一阶位移模态得到的各个节点的曲率模态的变化,可以准确地定位结构损伤位置。对工程实际中的薄板结构损伤定位有很好的指导意义。     

基于模态曲率曲线拟合的板结构损伤识别研究

为了对薄板进行损伤识别研究,提出了通过模态曲率多项式曲线拟合进行板结构损伤定位的方法。根据ANSYS模态分析得到损伤弹性薄板的第一阶模态振型,进而得到X方向模态曲率和Y方向模态曲率,然后分别在X方向和Y方向进行多项式曲线拟合。基于拟合值与原始值的差值构造新的损伤指标。数值算例的结果表明:基于模态曲率多项式曲线拟合的方法能够准确识别平板损伤位置。该方法具有较高的灵敏度,对小损伤也具有较好的识别效果,同时避免了使用原始无损结构的模态参数,且仅需要第一阶模态振型便可以精确地进行损伤定位。     

基于曲率模态差和模态置信的钢架损伤识别研究

运用曲率模态差法和模态置信准则同时对一个空间钢架进行损伤单元位置的判定和破坏程度的识别,并对这两种方法进行比较。以空间钢架为具体研究对象,对其进行损伤识别数值模拟,再用中心差分法计算出曲率值,将损伤前后的曲率模态值相减,得到曲率模态差值;通过模态振型的改变量的多少来判别损伤情况即模态置信准则识别方法。比较结果表明模态置信准则在单元发生小程度损伤时识别不了,而曲率模态差法可以识别,并且识别的阶数多于模态置信准则。     

张弦拱桁架结构基于模态参数的损伤识别试验（英文）

张弦桁架结构是是由上部刚性拱桁架与下部柔性拉索通过中部撑杆组合而成的一种自平衡体系,具有受力合理、承载能力高、造型轻盈、跨度大等优点,被广泛应用到大跨钢屋盖结构中。但张弦桁架结构规模大、服役期限长,所处环境状况复杂,受到的荷载作用具有随机性,发生损伤的潜在危险性较大。此类结构一旦出现损伤会对结构的正常使用产生影响,甚至可能引起连续倒塌,因此研究张弦桁架结构在运营期的损伤识别具有重要的现实意义。但张弦梁结构中存在拉索、撑杆和桁架等不同类型杆件,受力机理更加复杂,其损伤识别与常规桥梁式结构或多高层建筑结构存在明显差异,目前针对张弦桁架结构的损伤识别尤其试验研究很少。因此,针对张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别方法开展试验研究。通过对某火车站顶棚结构进行缩尺简化,设计制作了两榀张弦桁架试验模型。两榀试验模型结构尺寸相同,模型总长6 m,矢高0. 4 m,垂度0. 4 m,上部采用倒三角立体桁架,每两个节点之间由四角锥基本单元构成,结构中部均匀布置5根对称的圆钢管撑杆,下部布置直径8 mm的钢丝绳拉索,并施加2 kN预应力;试验模型一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座,并在结构两侧设置刚架作为受压桁架侧向支撑。两榀试验模型构件截面尺寸不同,模型1相对于模型2杆件截面尺寸较小;荷载施加情况不同,模型1未施加外荷载,模型2在模型上弦杆布置质量块模拟结构正常使用状态的荷载。试验采用不同截面尺寸杆件替换正常杆件的方法来模拟结构损伤,即通过降低截面刚度的方法来模拟杆件损伤,根据杆件截面积丧失程度定义损伤程度。试验设计了弦杆单损伤、多损伤、索撑损伤等不同程度以及不同位置的损伤工况,通过动力检测获取试验各工况前三阶模态参数:采用单点拾振、多点激励的方式进行试验,即将加速度传感器安装在桁架上弦杆件的4号节点处,然后用力锤依次对1～14号节点进行锤击,每个节点锤击激励1 min,通过动态信号采集仪采集加速度信号;根据不同工况替换相应损伤杆件,依次采集加速度信号;接着利用TSTMP模态分析软件处理加速信号,获取张弦桁架每个工况的频率与振型等模态数据,以用于之后的损伤识别分析。张弦桁架结构相对复杂,杆件繁多,可能发生损伤的部位较多,单一损伤识别方法无法一次检测出结构各部分的健康状态。因此将张弦桁架结构分为上部刚性桁架与索撑体系两部分,针对各组成部分的特点,采用基于振动模态参数的组合识别方法对张弦桁架试验结果进行分析:上部刚性桁架对结构整体频率影响较小且杆件连续,运用曲率模态差和模态柔度差曲率对其进行损伤识别;下部索撑体系杆件相对独立且单元数量相对较少,通过选取正则化频率变化率建立索撑体系频率指纹库的方法对其进行损伤识别。曲率模态差是从结构各阶模态振型入手,对结构的振型进行差分得到模态曲率,再通过计算结构损伤前后曲率模态的变化得到。模态柔度差曲率是从结构的柔度矩阵入手,由损伤前后结构的各阶振型和频率共同得到结构柔度矩阵差,再对其对角元素差分得到。上部刚性桁架进行损伤识别时,根据结构损伤前后的模态数据计算绘制曲率模态差和模态柔度差曲率曲线,曲线突变最大处判定为桁架杆件损伤位置。正则化频率变化率是从结构各阶频率入手,计算结构损伤前后的频率变化率并对其正则化得到。由于其仅是损伤位置的函数,与损伤程度无关,因此建立频率指纹库时仅需考虑每个构件的一种损伤工况,减小了样本量。索撑体系进行损伤识别时,首先建立索撑体系频率指纹库,即预先假定各种损伤工况并依据结构理论模型进行有限元分析,计算得到对应的正则化频率变化率,从而建立频率指纹库;再由实测得到的结构固有频率,计算某工况下的正则化频率变化率指标,与频率指纹库进行对比,两者最接近处判定为索撑体系损伤位置。采用张弦桁架的组合损伤识别方法分析试验数据,结果表明:1)基于前三阶频率的正则化频率变化率指标可以有效识别索撑体系的损伤。但由于索撑单元均具有对称性,因此正则化频率变化率指标无法判断对称单元的损伤情况,需要进一步验证。2)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均能够较好地识别上部刚性桁架结构的单损伤和多损伤,但其对不同位置杆件的损伤识别效果略有不同。由于下弦杆直接与撑杆相连,受撑杆影响较上弦杆大,因此曲率模态差法和模态柔度差曲率法对上弦杆的识别效果优于下弦杆。3)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均可以通过曲线定性判断上部刚性桁架杆件的损伤程度,损伤程度越大,曲线突变程度也越大。另外,越高阶曲线突变程度差距越小,因此应利用低阶模态数据定性判断损伤程度。4)与曲率模态差法相比,模态柔度差曲率曲线在非损伤位置突变小,曲线更稳定,受非损伤位置的干扰较少,识别效果更好。基于越多阶模态数据获得的模态柔度差曲率,其曲线在损伤位置发生的突变越明显,且基于前三阶模态数据得到的模态柔度差曲率完全可以满足损伤识别的精度要求。另外,越高阶振型数据得到的曲率模态差曲线突变越大,但其受干扰也越大,一般运用前两阶曲率模态差曲线可以得到较好的损伤识别效果。     

基于曲率模态法桥梁结构损伤识别的敏感参数研究

敏感参数的研究对于结构基于振动的损伤识别有着重要的价值.曲率模态法的基本原理是因损伤所致的构件截面的刚度突变而凸现截面的曲率突变.但其仍存在不足,一是各阶模态反映同一损伤的情况是不同的;二是用损伤前后的曲率模态差作为敏感参数,虽可凸现其损伤部位,但须有未损伤时的模态数据,这通常无法获得.为此,文中分别提出了两个改进的敏感参数,即平均曲率模态损伤因子和即刻损伤因子.利用ANSYS软件对简支梁桥、连续梁桥的损伤识别进行了大量仿真分析,验证了所提出的敏感参数的有效性.另外,还探讨了某一单元损伤程度变化、多个单元同时有相同损伤,不同单元有不同损伤,及结构有限单元的类型和划分精度等多种工况下,采用曲率模态方法进行桥梁损伤识别问题,并进行了二维和三维的不同截面形式损伤识别的仿真分析.理论上证明了所提出的参数可作为桥梁损伤识别的敏感参数,用曲率模态方法能较好地识别出桥梁结构损伤的位置和程度.     

曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性分析

曲率模态法是针对梁式结构提出的一种损伤识别方法,其用于网壳结构损伤定位的有效性需要进行研究和证实。以一个单层球面网壳为例,对曲率模态法用于该结构的损伤定位进行数值模拟,分析网壳结构模态局部化对损伤定位效果的影响。损伤定位的判断标准为绝对曲率差最大值所对应的节点为损伤位置,指示该节点上的杆件发生了损伤。数值分析的结果表明,对于单杆件损伤,使用损伤前后密集模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很差,而使用损伤前后稀疏模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很好。可见,模态局部化对曲率模态法应用于网壳结构损伤定位的影响很大,因此,只有选择稀疏模态才能较好地避开模态局部化现象,在一定程度上保证曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性。     

大型油罐罐壁损伤识别研究

为了研究大型油罐罐壁结构的损伤识别,以西岸油罐艺术中心中实际油罐为例,讨论了基于模态曲率差的方法对不同损伤工况的损伤识别效果。通过ANSYS有限元软件建立足尺模型并得到罐壁径向模态振型,计算得到周向模态曲率和轴向模态曲率来识别损伤。研究表明:采用轴向模态曲率能够精确识别单处损伤和多处损伤位置,而且损伤位置越靠近顶部越容易被检测。因此,对于油罐罐壁的损伤程度识别,不能仅仅比较轴向模态曲率值的突变程度,需要结合损伤位置综合考虑。     

基于曲率模态的钢筋混凝土梁多点损伤位置识别

采用曲率模态对钢筋混凝土梁的多点损伤位置进行了识别研究。首先用有限元程序建立结构模型,并计算出位移模态振型,然后用差分法计算出曲率模态;同时对实际结构进行检测,得到结构的振型并计算出曲率模态。通过有限元模型和实际结构的曲率模态计算得到结构损伤因子,通过分析该损伤因子,可以判断实际结构的损伤位置。数值模拟算例分析表明,曲率模态对结构的损伤较敏感,用该方法识别结构的多点损伤位置是行之有效的。     

基于比例柔度矩阵和改进模态曲率法的结构损伤定位研究

根据模态曲率法,并基于比例柔度矩阵,提出了一种利用平均柔度差的改进模态曲率法,结合某10层框架结构利用改进模态曲率法数值模拟损伤定位的结果,表明该改进模态曲率法能快捷简便解决柔度模态曲率法较难判断结构首尾单元损伤的问题,且保持模态曲率损伤定位的准确性。     

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。     

Mechanism investigation of welding induced buckling using inherent deformation method

Due to the increasing use of thin plates in lightweight welded structure, welding induced buckling may occur in such thin plate welded structure. In this study, welding induced buckling of thin plate welded structure is investigated using the eigenvalue analysis and elastic Finite Element (FE) analysis based on inherent deformation theory, and the mechanism of welding induced buckling is clarified.Bead-on-plate welding is first examined. Measured out-of-plane welding distortion indicates that saddle type buckling is produced after cooling. Eigenvalue analysis shows the computed lowest buckling mode is the saddle type and the corresponding critical force is less than the applied tendon force evaluated by Thermal–Elastic–Plastic (TEP) Finite Element (FE) analysis beforehand. Using elastic Finite Element (FE) analysis in which all components of inherent deformation are used and also considering initial deflection, out-of-plane welding distortion is predicted with high accuracy compared with measurement. It is also concluded that tendon force (longitudinal inherent shrinkage) is the dominant reason of buckling and it determines the buckling mode, and initial deflection and inherent bending are considered to be disturbances which trigger buckling.Later, a thin plate stiffened welded structure with fillet welded joints is examined. Although welding did not induce buckling of plate fields in bending modes in the considered thin plate stiffened welded structure, the whole stiffened welded structure buckles in a twisting mode, while plate panels remain unbuckled. Eigenvalue analysis gives the twisting buckling mode as the lowest buckling mode. However, in stiffened welded structures, not only tendon force (longitudinal inherent shrinkage) but also transverse inherent shrinkage is responsible for buckling. The good agreement between computed and measured out-of-plane welding distortion shows that the elastic Finite Element (FE) analysis using inherent deformation theory is an advantage of the computational approach to predict welding distortion in large-scale and complex welded structure with enough computational accuracy.     

基于PZT-SLDV测试系统的纤维复合板损伤识别研究

为对纤维复合板损伤识别进行研究,采用PZT-SLDV模态测试系统,以存在凹痕损伤四边固定约束的纤维复合板为例,对纤维复合板的损伤检测进行试验和数值模拟研究。通过表面黏贴压电陶瓷(PZT)片对纤维复合板进行激励,再利用SLDV测得其各阶位移模态,并应用中央差分法计算曲率模态进行纤维复合板的损伤识别;最后,利用ABAQUS有限元分析软件,建立含损伤的四边固定约束纤维复合板有限元模型,并对建立的有限元模型进行模态分析。研究结果表明：采用PZT-SLDV测试系统可以有效识别纤维复合板的凹痕损伤;对于频率越高的模态,采用曲率模态的方法识别损伤效果越明显;试验与数值模拟在四边固定约束边界各阶振型的吻合度较高,验证有限元计算模型的正确性。     

基于曲率模态法的简支板桥损伤识别研究

探讨了曲率模态用于简支板桥损伤识别的可行性。首先介绍了曲率模态法用于损伤识别的理论基础,随后利用三维有限元模型模拟结构损伤,并用曲率模态方法对其进行了有效识别。根据有限元仿真结果,可以得出如下结论:曲率模态对结构的局部变化非常敏感,对于简支板桥当对其中一块板的损伤状况进行识别时,不会受其他板的干扰,即使是与之毗邻的板也不会对其产生影响。     

悬索桥损伤指标的适用性分析

依据精细的悬索桥有限元模型,分析比较了在无噪声情况下频变比指标、模态曲率差指标和静态应变差指标对悬索桥不同位置损伤的适用性.对主梁和吊索两种常见损伤类型的数值模拟发现,主梁损伤时,由于各阶指标之间信息的互补性,模态曲率差指标识别效果最好;吊索损伤则对结构整体频率的影响极其微小,无法用频变比指标来定位,此时静态应变差指标最为敏感.在试验的基础上,提出了根据损伤类型来综合运用频率变化比、主梁竖弯振型模态曲率变化以及静态应变差进行悬索桥的损伤定位的方法.     

密排横向管幕理论分析研究

大直径管幕超前预支护对暗挖工程中的变形控制具有积极作用,管幕的布置形式可分为纵向与横向两种.以北京平安里地铁车站工程及其实测数据为基础,探索性地将带有锁扣的横向管幕简化为弹性薄板,继而对比分析了采用弹性薄板理论和连续梁理论的计算结果;最后,针对导洞开挖跨度、上覆土层厚度、钢管壁厚以及钢管内浆体弹性模量等参数进行了影响分...     

大跨度空间网格结构的损伤定位

本文建立了基于模态曲率法和人工神经网络技术相结合的、适用于大跨度空间网格结构的损伤定位新方法,即首先应用模态曲率法判断结构是否发生损伤并识别发生损伤的局部结构,然后对发生损伤的局部结构利用人工神经网络技术识别损伤的准确位置。通过分析和比较发现,以模态曲率为基础的损伤参数比较适合于大跨度空间网格结构的损伤定位,三种以模态曲率为基础的损伤定位参数按有效性进行排序,从低到高依次为模态曲率、模态曲率差、模态曲率变化率;针对天津奥林匹克中心体育场大跨度悬挑管桁结构进行了不同损伤状况的数值模拟,验证了所建立的损伤定位方法的适用性和有效性。研究结果表明:利用模态曲率变化率识别损伤发生的大致位置,当单榀桁架发生损伤时,识别的准确率达到100%,当多榀桁架同时发生损伤时,识别的准确率达93.7%;采用人工神经网络技术识别损伤桁架的准确损伤位置时,在无测量噪声影响下,损伤定位的准确率达到97.0%,且测量噪声对损伤定位准确率的影响很大。     

曲率模态理论在桥梁损伤诊断中的有限元分析

对基于曲率模态理论的桥梁结构损伤诊断进行了有限元分析,验证了曲率模态对桥梁结构整体损伤、局部损伤都有较好的敏感性,其结论可为实际公路桥梁损伤诊断提供参考。