基于应变指标的微弱损伤识别的实验方法

针对位移指标对微弱损伤不敏感的特点,研究了基于应变模态的损伤识别方法。该指标从应变模态参数识别着手,获得低阶应变模态振型,构造应变模态差,达到了结构微弱损伤的识别目的。通过与位移指标对比,实验表明该指标能通过应变模态振型和应变模态差准确识别微弱损伤的位置和损伤的程度。     

应变模态振型获取的一种简便方法

根据应变模态分析原理,定义了一个新的应变模态振型系数,提出了基于应变响应获取结构应变模态振型的一种简便方法,并通过简支梁实验进行了验证。研究结果表明,采用该方法无需测量位移模态,仅需采用单点激励,用电阻应变计测量结构上各测点的应变响应信息,即可获得被测结构应变模态振型,大大简化了应变模态在工程结构损伤识别中的实验检测分析过程。     

基于应变模态的风机塔筒法兰螺栓断裂损伤监测研究

针对风力发电机塔筒法兰段螺栓断裂损伤的识别问题,以某型1.5 MW风机为例,对螺栓断裂损伤识别进行了理论推导、仿真分析和损伤识别指标修正研究。运用连续体振动微分方程法,建立了梁的振动微分方程和应变模态;利用ANSYS软件对风机塔筒进行了振动模态分析,并研究了不同螺栓断裂工况下位移和应变模态振型的变化;以应变绝对偏差作为损伤识别指标,通过数值模拟验证不同工况下的风机塔筒损伤识别效果。研究结果表明:不同损伤工况的位移模态振型无明显突变,而应变模态振型在塔筒法兰螺栓断裂处出现显著突变,应变类指标对损伤更加敏感;修正的应变绝对偏差损伤识别指标削弱了未损伤处高应变值干扰损伤识别的影响,提高了损伤识别的敏感度;基于应变模态的损伤识别可为大型风机塔筒的损伤监测和健康维护提供参考。     

基于应变模态分析的长输油气管线损伤检测仿真研究

基于应变模态方法,运用有限元分析软件ANSYS对石油工业中的压力管道损伤识别进行了初步的研究。ANSYS的模态分析可以求得结构在损伤前后的位移模态,将其转换为对应阶数的应变模态,并对比应变模态损伤前后的变化,作出应变模态差值曲线以此来判断损伤的存在和位置以及损伤程度。计算结果表明：利用应变模态差值曲线能比较准确地识别出管道结构模型的损伤存在和损伤位置,并依此定性地识别出管道结构模型的损伤程度。采用此方法进行管道结构进行损伤识别比传统的损伤检测方法更加准确、方便。     

基于应变模态的振动筛上横梁疲劳损伤分析

基于模态理论建立了振动筛位移和应变模态参数识别模型,仿真分析了振动筛上横梁产生疲劳损伤裂纹时位移和应变模态参数的变化。分析结果表明上横梁产生疲劳裂纹后的模态频率和位移振型较疲劳损伤前均无显著变化,而应变模态振型在疲劳裂纹处发生了显著的突变,其中弯曲应变模态较扭转应变模态对疲劳损伤裂纹更敏感。以振动筛上横梁产生疲劳损伤裂纹前、后的应变模态变化率为指标判定疲劳损伤程度,由损伤程度即可确定上横梁疲劳裂纹尺寸,进而可由Paris公式的积分形式计算振动筛上横梁的疲劳剩余寿命。基于应变模态变化预测振动筛上横梁的疲劳损伤程度和疲劳剩余寿命,将有助于对其进行动态优化设计,从而提高振动筛的使用寿命。     

弹性梁损伤识别模态应变能法

针对飞行器弹性梁结构的振动疲劳损伤问题,基于单元模态应变能的变化提出了一种新的结构损伤识别方法。该方法以结构损伤会导致其模态性能变化为原则,通过对比结构单元损伤前后模态应变能的变化率来构建损伤指标。在构建损伤指标之前,假定弹性梁的刚度是由单元刚度组成的,在定义单元刚度灵敏度公式的基础上,建立了弹性梁损伤前后模态应变能变化的联系。最后采用数值计算和实验测试方法,得到了弹性梁损伤状态的识别结果,验证了该方法对损伤识别的正确性和有效性。     

应变模态参数曲线的结构损伤位置及程度研究

对结构的损伤进行诊断和评估是健康监测系统的核心问题,而敏感的损伤指标是损伤诊断的关键,并且传统的模态参数不易识别结构的早期局部微小损伤。以悬臂梁作为研究对象,对其进行有限元分析,与实验结果进行对比。研究结果表明:频率仅能识别结构损伤存在;位移模态对局部损伤不敏感;应变模态参数对局部微小损伤非常敏感,损伤处应变值明显大于未损伤处,能非常精确地识别结构损伤的位置及程度。该实验可运用到其它复杂机械结构的早期局部微小损伤中。     

利用广义应变比能进行结构损伤识别的数值研究

目前结构损伤识别大多是基于位移模态的试验结果进行的，但由于位移模态结果的局限性，很多情况下识别效果并不明显，本文基于应变模态的工作，利用应变模记识别得到的振型和频率结果，提出了广义应变比能（GSED）的概念。将其应用于结构损伤的识别中，具有识别效果明显，物理意义清晰的优点，GSED方法不仅可以判断损伤的存在与否，而且可以对损伤进行较精确的定位，在测试数据充分的情况下还可以大致判断出损伤的程度，最后通过对简支梁的数值仿真计算验证了方法的有效性。     

基于改进粒子群算法的应变传感器优化布置

在结构健康监测和损伤识别研究中,为了应用有限的试验设备资源获取尽可能多的有效测试信息,快速有效地解决应变传感器的优化配置问题,提出了一种基于克隆选择和离散粒子群混合算法优化新型适应度函数的应变传感器优化布置方法,并将该方法应用到拉西瓦拱坝上。结果表明,基于改进克隆选择和离散粒子群混合算法具有更强的全局寻优能力,且提出的应变类适应度函数在保证应变模态正交性和模态应变能方面更有优势。该方法能很好地识别拱坝的应变振型,可在各类结构的模态测试和损伤识别研究中进行推广。     

矩形舵面应变模态测试中的传感器优化布置

针对矩形舵面结构应变模态测试中信噪比低、模态阶次遗漏等问题,研究了应变传感器的优化布置方法。首先,建立应变传感器布置的动力学模型;其次,基于应变振型,研究了有效独立法（effective independence, 简称EI）、MinMAC法（minimize modal assurance criteria,简称MinMAC）和奇异值分解法（singular value decomposition,简称SVD）的应用;最后,利用振动台对矩形舵面模型进行了实验验证。结果表明：测点优化前,应变响应信号缺少第2阶模态信息,应变振型向量正交性差;测点优化后,根据应变响应信号能够准确识别第2阶固有频率和阻尼比,振型向量的正交性得到改善。该优化后结果验证了传感器优化布置的必要性和有效性。     

基于逆有限元的应变模态损伤检测方法

基于光纤光栅传感器(fiber Bragg grating,简称FBG)逆有限元方法(inverse finite element method,简称iFEM),仅利用有限测点的应变数据进行全域应变场重构,得到近似完全测量应变模态,提高了直接采用实测应变数据来构建应变模态损伤指标的实用性。利用基于损伤应变模态差分原理的损伤指标法,只需用损伤后应变模态数据即能定位损伤,并给出了损伤指标数学模型。计算结果表明,基于光纤光栅传感器和逆有限元方法可以快速进行全域应变场重构,为基于应变模态的损伤检测提供数据保障,而应变模态差分曲线只在损伤处发生剧烈变化,损伤程度不同,曲线突变程度略有不同但规律一致。最后以某板的实验结果证明了该方法的有效性。     

桥梁结构损伤的振动模态检测

首先介绍了桥梁结构损伤检测的振动模态方法的原理及其４ 个要素。总结了用模态参数（固有频率、阻尼比及位移振型）进行损伤检测评估的困难,进而阐述应变模态测量的原理及其用于桥梁结构损伤检测时,相对于位移模态的优势。由于应变模态方法应用于实桥检测受到传统应变测量手段的制约,本文最后提出了一种通过相邻点振动位移的测量,推估桥梁在动载作用下的应力状态,进行实桥损伤检测的途径,并推荐一种新型低频高灵敏度传感器作为位移测量用传感器。     

使用应变模态和遗传算法的有限元模型修正方法

提出了采用应变模态置信度为待修正响应特征的有限元模型修正方法。应变模态置信度是评价有限元仿真与试验测试结果相关性的方法,可以为模型修正提供全局的频率误差信息和局部的应变相关性信息。首先,介绍了应变模态和有限元模型修正的相关理论方法;然后,以某航空加筋壁板结构为对象,通过仿真分析和"仿真试验"获得结构的应变模态频率以及对应的应变振型,进一步计算频率误差和应变模态置信度误差;最后,基于两种误差构造模型修正的目标函数,采用遗传算法对目标函数进行优化,修正结构中的待修正参数,并将修正后参数代入模型,验证所提方法的正确性和有效性。结果表明:所采用的方法获得的修正后有限元模型具有复现修正响应特征的能力,并且对于未修正频段内的响应也具有较好的预测能力。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

An experimental study on damage detection of structures using a timber beam

Using vibration methods for the damage detection and structural health monitoring in bridge structures is rapidly developing. However, very little work has so far been reported on timber bridges. This paper intends to address such shortcomings by experimental investigation on a timber beam using a vibration based method to detect damage. A promising damage detection algorithm based on modal strain energy was adopted and modified to locate/evaluate damage. A laboratory investigation was conducted on a timber beam inflicted with various damage scenarios using modal tests. The modal parameters obtained from the undamaged and damaged state of the test beam were used in the computation of damage index, were then applied using a damage detection algorithm utilising modal strain energy and a statistical approach to detect location of damage. A mode shape reconstruction technique was used to enhance the capability of the damage detection algorithm with limited number of sensors. The test results and analysis show that location of damage can be accurately identified with limited sensors. The modified method is less dependent on the number of modes selected and can detect damage with a higher degree of confidence.     

基于应变能量分布变化的大跨桥损伤识别

为满足结构在线健康监测大量数据快速计算的要求,以测试的应变信号为基础,探究结构在不同输入下的损伤识别方法.该方法在传统的以曲率模态为基础的能量损伤指标理论上,提出基于应变能量分布变化的损伤指标法(DIM),通过损伤前后结构的响应求出结构各单元的相对应变比能,获得各单元的DIM,进而根据其峰值位置和大小判别结构损伤位置与损伤度.采用该方法对一大跨斜拉桥进行数值分析,结果表明,该方法能够准确地识别出结构的损伤位置,且对结构在损伤前后受不同激励作用的情况均有效,抗噪声污染能力较强.