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.     

基于不完备实测模态数据的结构损伤识别方法研究

在传统的基于模型修正的损伤识别中,由于实测模态信息有限而待识别参数过多,往往导致损伤识别方程出现较大误差,从而限制了该方法在复杂结构中的应用。为解决这一问题,对结构的自由度进行了分解,将损伤结构中模态振型的未测量部分表达为已测量到的模态振型、模态频率以及结构其它参数的函数。将损伤视为结构单元刚度的减小,利用完好结构的计算模态数据以及损伤结构扩充后的实测模态数据,建立了结构的损伤识别方程。运用信赖域优化算法对具有双重约束条件的目标函数进行最小化,识别出了结构各单元的刚度损伤参数。通过两个损伤识别数值仿真算例及实验验证,结果表明,在测点数量有限及测试噪声等不利因素影响下,所提方法只需运用少量的实测模态信息,即可实现结构损伤位置及程度的准确识别,同时算法具有较好的鲁棒性。     

太阳电池阵板间铰链副刚度参数辨识

以真实铰链副连接的有机玻璃帆板模型试验模态参数为基础 ,采用特征方程反问题的直接方法辩识铰链副的刚度参数。首先通过模态叠加法由可测自由度上的不完全试验振型拟合估计包括界面位移和转角在内的不可测自由度上的振型。然后以单板子结构的动柔度矩阵特征方程为基础。通过界面振型求解界面内力 ,并由铰链副连接元刚度矩阵建立平衡方程求解铰链副的刚度参数。工程应用实例表明良好的辨识精度和工程使用价值     

《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。     

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。     

简谐激励下复合材料加筋板的基体微裂纹损伤演化

研究了在简谐激励作用下复合材料加筋板基体微裂纹损伤的演化行为及其对加筋板动力特性的影响。基于平均微裂纹密度和断裂力学方法, 建立了复合材料加筋板基体微裂纹演化的刚度退化准则。由于该准则考虑了载荷作用周期数的影响, 从而能够更合理地分析周期性动载荷作用下基体微裂纹损伤演化规律。采用Mindlin一阶剪切理论和复合材料模态阻尼模型, 建立了复合材料加筋板动力分析的有限元方法, 研究了在简谐激励作用下, 含分层损伤复合材料加筋板振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化、 刚度退化, 频率折减和动力响应。      

基于应用程序交互访问技术的桥梁有限元模型修正研究

传统的有限元模型修正方法对于具有复杂多自由体系的大型桥梁结构显得束手无策,其中一个重要的原因是大型桥梁结构体系很难用有限元编程精确地表达,难以建立完整的或者缩聚的质量矩阵和刚度矩阵。该文开发了基于应用程序交互访问的有限元模型修正模式,首先在Strand7软件中建立初始的有限元模型,然后利用MATLAB建立迭代程序并调用Strand7软件,通过读写Strand7中的物理参数来更新模型,实现了大型桥梁结构有限元模型修正。该文对一座实桥进行多参考点脉冲锤击法模态试验和静载试验,基于获得的静动力试验数据和Strand7有限元模型分析结果,引入损伤函数的概念识别得到了该桥各梁的分段刚度,成功地实现了单元层次的参数识别。     

Damage identification in framed structures using natural frequencies

A novel procedure for damage identification of framed structures is proposed, where both the location and the extent of structural damage in framed structures can be correctly determined using only a limited number of measured natural frequencies. No knowledge of the modal shapes of the damaged structure is required. On the basis of the characteristic equations for the original and the damaged structure, a set of equations is generated. Two computational techniques, the direct iteration (DI) technique and the Gauss–Newton least-squares (GNLS) technique, are utilized to determine structural damage from the derived equations. Finally, different numerical examples are used to demonstrate the effectiveness of the proposed method. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

网壳结构损伤识别的数值模拟及试验研究

网壳结构工程事故频繁发生,对其进行损伤识别及健康监测已迫在眉睫。针对网壳结构特点,推导了剩余模态力理论和最小秩摄动理论的基本公式,研究二者在大型网壳结构损伤识别应用中的有效性。依据相似理论,设计制作单层短程线网壳结构模型,对其进行模态试验研究,获取了损伤识别所必需的实测结构模态参数。利用Guyan静态缩聚技术进行有限元模型缩聚,采用最小秩摄动理论进行有限元模型修正,对比研究了基于数值模拟数据和试验实测数据的损伤位置判定及程度评估的整个过程。结果表明,基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法不仅可以识别结构单损伤位置和多损伤位置,还可以定量评估损伤程度,对网壳结构的健康诊断是可行的。     

Damage assessment on plate-like structures using a global-local optimization approach

A new method for finite element model updating using simulated data is presented. A global-local optimization (GLO) approach was adopted to adjust the uncertain properties of the FE model by minimizing iteratively the differences between the measured dynamic modal parameters and the corresponding analytical predictions. In contrast with most of the existing updating techniques, which minimize modal force errors, objective functions based on Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC) and Frequency Response Assurance Criterion (FRAC) were employed. The GLO procedure was employed to minimize the norm of these vectors by updating the physical model variables (thickness, Young modulus, etc.). The proposed model updating procedure was applied to damage localization and quantification of structures, whose damage characteristics can be represented by a reduction of the element bending and axial stiffness. Results showed that a significant reduction in terms of computer run-time and improved damage assessment can be achieved. The procedure is illustrated on a plate-like structure by measuring dynamic properties before and after structural changes for four different damage cases.     

基于模态试验与优化的静动力学模型转换

在结构强度分析中,将刚度分布较为准确的静力学模型转换为动力学模型可以大大提高建模效率。提出了一种基于模态试验和优化算法的静、动力学模型转换方法。在调整静力学模型的刚度矩阵基础上,再按照质量、质心、惯矩、单元体积进行节点质量的预分配,最后根据模态试验识别出的模态参数优化节点质量的修正量,如此便可得到其动力学模型。以某飞机翼身组合结构模型的转换为例,证明了该方法的实用性。     

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     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

An improved perturbation method for stochastic finite element model updating

In this paper, an improved perturbation method is developed for the statistical identification of structural parameters by using the measured modal parameters with randomness. On the basis of the first‐order perturbation method and sensitivity‐based finite element (FE) model updating, two recursive systems of equations are derived for estimating the first two moments of random structural parameters from the statistics of the measured modal parameters. Regularization technique is introduced to alleviate the ill‐conditioning in solving the equations. The numerical studies of stochastic FE model updating of a truss bridge are presented to verify the improved perturbation method under three different types of uncertainties, namely natural randomness, measurement noise, and the combination of the two. The results obtained using the perturbation method are in good agreement with, although less accurate than, those obtained using the Monte Carlo simulation (MCS) method. It is also revealed that neglecting the correlation of the measured modal parameters may result in an unreliable estimation of the covariance matrix of updating parameters. The statistically updated FE model enables structural design and analysis, damage detection, condition assessment, and evaluation in the framework of probability and statistics. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Structural damage diagnosis using incomplete static responses and LS-SVM

This paper presents novel approach to structural damage detection and estimation using incomplete static responses of a damaged structure and least squares support vector machine (LS-SVM). The presented method is based on the reduced stiffness matrix to formulate incomplete static responses as input parameters to the LS-SVM. The presented method is applied to a plane steel bridge, a four-span continuous beam and four-storey plane frame containing several damages. Also, the effect of the discrepancy in stiffness between the finite element model and the actual tested system has been investigated. The results show that the presented method is sensitive to the location and severity of the structural damage in spite of the incomplete noisy data and modelling errors.     

基于改进交叉模型交叉模态法的局部损伤识别方法

传统的交叉模型交叉模态（CMCM）法由于其核心矩阵的缺秩使其在全局修正时的解不唯一,为得到唯一解必须人为假定约束。以往利用CMCM法进行损伤识别的研究中,通常将损伤前后质量保持不变作为约束求得各单元刚度的修正量,然后将刚度的下降作为判断损伤的依据。然而,结构在极端运营条件下质量的变化也是损伤的一种。为此,本文对传统的CMCM法进行了改进,提出了以下的改进方法：首先,由基准状态下的有限元模型和损伤后实测的结构低阶模态信息求得核心矩阵,将核心矩阵最小奇异值对应的右奇异向量作为损伤指示向量（DIV）;然后,基于损伤的局部性利用聚类分析算法自动识别DIV中的异常元素,将异常元素作为损伤定位的依据;最后,由DIV估计各单元质量和刚度的损伤程度。改进后方法的优势在于：无需人为主观地添加约束即可一次性求出结构各单元质量和刚度损伤前后的变化,避免了错误或不准确的假设给损伤识别结果带来的误差。通过数值实验对该改进方法的可行性、鲁棒性以及损伤敏感性进行了研究,并通过美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一个4自由度板柱结构振动台实验对改进方法的有效性做了进一步的验证。     

用不完全模态测量数据修正有限元分析模型

提出一种基于不完全模态测量数据同时修正有限元质量矩阵与刚度矩阵的有效数值方法。运用代数特征值反问题的理论与方法，得到了满足正交关系及特征方程的最逼近有限元质量矩阵及刚度矩阵的唯一的修正质量矩阵与刚度矩阵（最优修正矩阵）。该方法有一个简洁的表达式，修正过程简单而且容易实现。数值算例表明，修正模型与模态试验数据具有非常好的一致性。     

结构静力分析的区间摄动有限元法

基于新的区间参数系统响应界值的评估方法,推导了基于Taylor展开的区间摄动有限元法和区间参数摄动有限元法的高阶求解方法。并提出了一种新的区间摄动有限元法,该方法将刚度矩阵的逆矩阵用一系列Neumann展开级数来表示,最终得到结构响应摄动量的上下界限,是对结构响应鲁棒性的一种直接评估,因此称之为区间鲁棒摄动有限元法。比较了三种区间摄动有限元法的计算精度和计算效率。算例结果表明:区间鲁棒摄动有限元法具有较好的精度,能够适用于大型航空航天结构的不确定分析和优化。     

基于随机因子法的随机结构动力特性分析研究

将随机物理参数结构系统的质量矩阵和刚度矩阵均以随机因子的齐次形式表示,通过对QR变换法求解随机矩阵特征值过程的论述,证明了系统中各阶固有频率具有相同的随机因子,并导出了求解固有频率随机变量概率密度的公式;在此基础上,论述了系统正则振型矩阵中各元素亦具有相同的随机因子,并导出了求解正则振型随机因子概率密度的公式.通过算例及与Monte Carlo数值模拟结果的对比,验证了文中求解方法和所得结论的正确性.     

基于动刚度实验的发动机悬置系统计算模型及模态验证

计算模型的真实性、可靠性是模型建立的关键问题,线性系统动力学模型不能适应参数呈非线性系统的建模。以发动机悬置系统为例,通过实验获得刚度和阻尼参数,用实验的质量矩阵、刚度矩阵建立系统动力学计算模型,通过实验运行模态与计算模态相关分析得到验证模型。结果表明考虑动刚度参数的计算模型比传统静刚度模型更接近真实情形。