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。     

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。     

结构损伤诊断的模态柔度差曲率法

为了使损伤更加明确显示,在求得结构损伤前后的模态柔度差之后,建立模态柔度差曲率作为二维结构的损伤指标来诊断损伤。考虑多种损伤情况,对二维结构进行了数值模拟,并用不同类型的指标进行了诊断。对比结果表明,该文指标与模态柔度曲率差指标所得结果基本上是相同的,且该文方法计算工作量要小。为了弥补利用模态柔度曲率差指标在诊断三维结...     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于秩分析的结构损伤识别研究

研究了结构损伤与系统矩阵秩变化之间的对应关系,以此为基础提出一种损伤识别方法。首先分析了结构损伤所引起的系统矩阵秩的变化,然后利用结构损伤前后的静力响应方程,推导了柔度扰动量的限定秩解计算公式,再结合柔度扰动新方法计算结构各单元损伤参数,据此确定损伤位置及损伤程度。研究表明,损伤前后结构静力位移差向量之间必然存在着线性相关性,因此,施加静力荷载的组数并非越多越好,而是只要大于柔度扰动矩阵的秩即可。由该方法所获得的柔度扰动量的限定秩解,是一种理论上的精确解,以它为基础可以获得很高精度的损伤识别结果。以桁架结构为例对所提方法进行了验证,结果表明了本文方法的可行性。     

基于柔度投影法和遗传算法的结构损伤识别方法研究

结构的健康监测对于结构的安全运营和维持结构的性能非常重要。近年来，基于动态测试技术的结构损伤识别方法引起了工程界的广泛关注。损伤识别属于结构工程中的反问题。损伤识别需要解决三类问题：第一，判断结构有无损伤；第二，确定结构的损伤位置；第三，确定结构的损伤程度。将柔度投影法和遗传算法相结合，提出了一种结构损伤定位和定量评估的两阶段法。第一阶段，用柔度投影法进行损伤定位。柔度投影法能够仅用结构的低阶振动测试数据进行准确定位。第二阶段，将确定结构的损伤程度问题表达成优化问题，用遗传算法进行求解。文中给出了一种用于遗传搜索的新的目标函数形式。最后，用一平面桁架桥模型进行了数值模拟，验证了所提出的方法的有效性。此外，为了使所提出的方法更加成熟，文中进行了深入探讨，给出了一些结论，有益于今后的进一步研究。     

基于GNAR模型和Itakura距离的结构非线性损伤识别方法

为了有效地解决时域非线性损伤的识别问题,提出了基于线性/非线性自回归一般表达式模型(general expression for linear and nonlinear autoregressive model,GNAR模型)和Itakura距离的损伤识别方法。描述了GNAR模型的基本理论,给出了基本的模型定阶和参数估计方法。采用剪枝算法对GNAR模型结构进行了优化选取,并提出了以Itakura距离作为损伤指标的非线性损伤识别方法。采用3层框架非线性损伤实验验证了该方法的有效性,并将提出的方法运用于输电塔钢架模型的非线性损伤识别实验中。结果表明:提出的结构非线性损伤识别方法对框架和输电塔钢架结构的非线性损伤识别效果良好,且环境变化对其识别结果影响较小,由该方法计算得到的损伤层损伤概率明显大于未损伤层,有利于高效地确定非线性损伤源的位置。     

基于HVD包络谱瞬态能量曲率的井架钢结构损伤识别

针对复杂工作环境下井架钢结构损伤识别问题,提出了一种基于希尔伯特振动分解(HVD)包络谱瞬态能量曲率的井架钢结构损伤识别方法。已知非平稳、非线性的复杂信号,利用结构低阶信息,利用HVD法将其分解为拥有缓慢变化多个信号分量之和,选取主分量提取信号特征;对于井架钢结构损伤识别,利用HVD法提取振动信号的损伤特征,将HVD包络谱瞬态能量曲率作为损伤敏感指标;计算井架钢结构振动信号包络谱瞬态能量曲率完成损伤识别,以ZJ70井架钢结构为例,通过损伤识别仿真计算,得出该指标对井架钢结构损伤敏感,能够准确识别单损伤和多损伤位置;将该方法应用于ZJ70井架钢结构实验模型,成功地识别了单损伤和两损伤,验证了该方法的可行性和准确性。     

钢筋混凝土空间网格结构曲率模态曲面拟合损伤识别研究

本文介绍了钢筋混凝土空间网格结构的体系组成及构造特点;提出了曲率模态曲面拟合损伤识别理论,定义了曲率模态曲面拟合损伤指标CMSFDIi和平均曲率模态曲面拟合损伤指标CMSFDIiA,通过曲率模态与曲面拟合值的差异进行损伤定位,方法仅需利用从损伤结构获得的实测数据即可进行结构损伤识别,无需利用完好结构的基本信息和理论模型;最后通过钢筋混凝土正交正放空腹网架结构实例,验证了方法的有效性。计算结果表明,本文方法不仅可以识别单位置损伤还可以识别多位置损伤,对钢筋混凝土空间网格结构的损伤识别和健康监测是可行的。     

Flexibility-based structural damage identification using Gauss–Newton method

Structural damage will change the dynamic characteristics, including natural frequencies, modal shapes, damping ratios and modal flexibility matrix of the structure. Modal flexibility matrix is a function of natural frequencies and mode shapes and can be used for structural damage detection and health monitoring. In this paper, experimental modal flexibility matrix is obtained from the first few lower measured natural frequencies and incomplete modal shapes. The optimization problem is then constructed by minimizing Frobenius norm of the change of flexibility matrix. Gauss–Newton method is used to solve the optimization problem, where the sensitivity of flexibility matrix with respect to structural parameters is calculated iteratively by only using the first few lower modes. The optimal solution corresponds to structural parameters which can be used to identify damage sites and extent. Numerical results show that flexibility-based method can be successfully applied to identify the damage elements and is robust to measurement noise.     

连续梁结构损伤识别的改进柔度阵方法

传统柔度阵方法难以指示多跨连续梁这样一些复杂连续体结构在支撑处的损伤,提出以结构柔度阵某些自由度对应的对角元素的变化率作为损伤指示函数,对多跨连续梁结构进行更为有效的损伤识别。识别的机理是利用损伤指示函数对于单元损伤因子灵敏度矩阵的对角占优特性,产生对损伤因子分布的“覆盖效应”,从而反映出结构损伤的状态特征。文中给出有关计算公式,进行了数值模拟并比较几种状态的损伤识别结果,显示了本文方法的合理性。     

基于振型差值曲率与神经网络的海洋平台结构损伤识别研究

利用神经网络进行复杂结构损伤识别时，会遇到网络规模过大以致难以收敛的问题。为此，提出了一种基于振型差值曲率与神经网络的结构损伤识别两步法。第一步，利用振型差值曲率得到损伤的大致区域。第二步，在第一步选定的区域内，利用BP神经网络确定损伤构件的准确位置。四层海洋平台数值模拟和实验结果验证了该方法的有效性。     

Failure Analysis of Composite Mono Leaf Spring Using Modal Flexibility and Curvature Method

Post-failure analysis of composite structures by damage identification at pre-stage has gained considerable interest in recent years. In the paper, modal flexibility and modal curvature methods have been used for premature failure analysis of composite mono leaf spring through analytical and finite element approaches. Initially, finite element model of healthy and cracked spring is used to evaluate the eigenvalue and eigenvectors. Subsequently, change in flexibility and absolute curvature difference among both springs are evaluated after mass normalization. The presence, location and severity of crack in a spring are identified through differences in local flexibilities and change in absolute modal curvatures. The modal curvature method predicts location and severity of crack more precisely than the modal flexibility method.     

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。