基于频率和振型摄动的结构损伤识别方法研究

根据矩阵摄动理论,将结构的质量矩阵和刚度矩阵表示为单元损伤参数的函数,提出了根据频率和振型摄动进行结构损伤识别的方法。首先根据结构损伤前后振型变化建立损伤初定方程和损伤确定方程,利用振型摄动求解单元损伤参数,当两次求解得到的同一单元损伤程度基本一致时,可判定该单元损伤;再将损伤识别结果代入基于频率变化的损伤校核方程,用于检验识别结果的准确性。该方法建立的损伤识别方程为超静定方程,可以保证识别结果的唯一性,避免出现"伪损伤"现象。数值算例表明,即使结构出现损伤程度较小的多个单元损伤,只需测试其一阶振型,也可识别。此外,当结构损伤程度较小时,只需采用一阶摄动方程;当结构损伤程度较大时,可采用二阶摄动方程,以提高识别结果的精度。     

高层剪切型结构的参数识别与损伤检测

本文首先提出了一种基于结构测量响应和神经网络技术进行结构参数识别的方法,然后根据剪切型结构的特点,提出了该类结构的参数识别策略与损伤检测方法,即根据需要可一次或分次识别结构的所有参数,并通过对比不同时期识别的结构刚度值,进行结构损伤判别及识别损伤位置与损伤程度,仿真计算结果表明,即使测量响应存在较高的随机噪声,本文方法识别的结构刚度值仍具有很高的精度,并能准确实现结构损伤判别与定位,显示了该方法用于实际工程结构损伤检测的潜力。     

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。     

基于摄动Riccati传递矩阵的梁桥损伤概率识别方法

提出了一种基于摄动Riccati传递矩阵的梁桥损伤的概率识别方法。利用摄动Riccati传递矩阵方法和奇异值分解技术,在结构特征值和特征向量的一、二阶摄动计算公式基础上,依据概率统计原理,建立了结构损伤概率识别方程,并利用优化方法反演出结构各单元损伤识别参数的均值以及损伤概率,由此可以确定梁桥损伤位置和损伤程度。通过对一座简支梁桥和一座5跨连续梁桥进行多工况损伤概率识别的数值仿真模拟,计算得到了不同工况下的梁桥损伤识别结果,结果表明:对于梁桥结构大于10%的损伤量,该方法可以比较准确地识别出损伤位置及损伤程度,证明了该方法的有效性;采用该方法可以在很大程度上避免由于结构参数的随机性造成的误判或者漏判,识别结果较好。     

基于加速度二次协方差矩阵参数变化比法的环境振动下结构损伤识别

在白噪声环境激励下,结构加速度响应的自相关/互相关函数构成一个新的二次协方差（CoC）矩阵,组成这一协方差矩阵的元素经证明是结构模态参数（频率、振型、阻尼）的函数;与提取模态参数的一般损伤识别方法相比,二次协方差矩阵包含结构振动的更多和更高阶模态信息。本文利用结构损伤前和损伤后的二次协方差（CoC）矩阵参数的变化比,对只基于振动输出的、环境振动下的结构进行损伤识别。对一个七层框架结构模型进行了数值模拟,首先对不同噪声程度、不同损伤位置和程度的损伤结构进行损伤定位,再结合模型修正法,对结构损伤程度进行识别,展示了该方法的有效性。     

考虑质量变化的空间拱结构小损伤识别方法研究

该研究针对空间拱结构损伤识别精度问题,提出了一种空间拱结构小损伤的动态识别方法。该方法在识别过程中考虑损伤区的质量变化的因素来提高了结构损伤识别的精度。在建立的空间拱结构损伤模型中,应用频率和振型的质量因子变化来表示损伤区质量的变化。应用Wittrick-Williams算法对损伤参数进行计算,根据计算结果来判定结构的损伤位置和程度。为了实现应用最少的测量模态和结构振动特性数据对结构损伤精确识别,建立了一个应用遗传算法的优化计算程序对损伤参数优化计算。在该优化程序中,应用初始的随机染色体群代表沿空间拱不同的损伤分布状况。通过对单一损伤、多个损伤区域和不同边界条件下空间拱进行损伤识别案例对所述方法进行验证,并分析解决了对称结构损伤定位唯一性的问题。结果表明,所提出的识别方法对空间拱结构的损伤具有较好的识别效果,所建立的损伤识别程序具有较高的识别精度。     

利用振动模态参数对一空间复合结构梁的损伤检测的探讨

利用振动模态识别法对结构损伤进行诊断作为一种无损检验的方法,现已广泛应用在航天、航空、机械、造船、土木工程等多个领域。本文将对振动参数识别法做进一步的讨论和验证。文中将通过改变模型单元刚度模拟其结构损伤,利用有限元结构动力分析程序对该模型在“损伤”前后进行了结构动力分析。数值仿真计算结果表明:不同程度的损伤对结构各阶的频率、振动模态具有不同程度的影响;结构损伤前后的振动模态变化对“损伤”较为敏感,利用其模态的变化能对结构损伤实现有效定位。     

基于统计模型的结构损伤识别

提出了一种基于递推随机有限元方法(RSFEM)的随机结构损伤识别方法。在定义了随机损伤指数概念的基础上,考虑模型误差的不确定性和测量噪声的影响,建立了关于随机损伤指数的控制方程。然后,利用RSFEM得到了结构随机损伤指数的统计特性。数值算例的结果显示,新的方法能在考虑模型误差和测量噪声的情况下对结构损伤进行有效识别,且在结构随机参数有较大涨落情况下,该方法仍能有效识别出结构损伤,识别结果与蒙特卡洛模拟解非常吻合。     

基于能量有限元法的损伤充液管道振动分析

管道结构在服役期间会出现各种形式的损伤,其结构动力学参数和能量传播形式也会随之产生一定的变化,根据充液管道的动力学方程,推导得到了充液管道振动的能量平衡方程和能量有限元方程。分别采用能量有限元法和有限元法对充液管道的能量密度进行了计算和对比,验证了能量有限元法求解充液管道振动响应的准确性。在此基础上建立了基于能量密度变化和能量流变化的两个损伤指标,讨论了单元受损后的刚度变化和阻尼变化对能量流指标的影响,算例表明基于能量流变化的指标能够有效地识别充液管道结构的损伤部位。研究为基于能量有限元法预报充液管道的振动和基于该方法识别输流管道的损伤提供了理论基础。     

基于自适应卡尔曼滤波方法的结构损伤识别实验研究

通过一系列的实验,分析了自适应卡尔曼滤波方法在结构损伤识别中的有效性和准确性.实验中为了模拟结构在振动过程中的突然损伤,提出了一种模拟在线损伤的刚度元件装置,该装置可以实现结构在振动过程中刚度发生突然变化.通过对实验结构在不同激励下的各种损伤情况进行模拟,并对测量数据进行分析,结果表明,自适应卡尔曼滤波方法能够有效地追踪结构参数的变化.从而识别出结构的损伤,包括损伤的位置、大小和发生时刻,具有较高的实际应用价值.     

Inverse damage prediction in structures using nonlinear dynamic perturbation theory

A non-linear perturbation theory which furnishes an exact relationship between the perturbation of structural parameters and the perturbation of modal parameters is presented. A system of governing equations is derived, where the information about incomplete modal data can be directly adopted. The Direct Iteration and the Gauss–Newton Least Squares techniques for an inverse prediction of structural damage are discussed, where both the location and the extent of structural damage can be correctly determined using only a limited amount of incomplete modal measurements data. Structural damage is assumed to be associated with a proportional reduction of the original element stiffness matrix or with a proportional reduction of the contribution of a Gauss point to the element stiffness matrix, which characterises a structure at an element level or at a Gauss point level. Finally, a damaged cantilever beam is considered using different model problems to demonstrate the effectiveness of the proposed techniques.     

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.     

基于单元残余能量灵敏度的结构损伤识别

在定义单元残余能量基础上进行单元残余能量的灵敏度分析,提出基于单元残余能量灵敏度分析的结构损伤识别方法,建立结构损伤识别方程组。通过解方程,求得损伤系数向量,便可同时识别结构的损伤位置及损伤程度。仿真结果表明,本文提出的方法对各损伤工况不但能准确定位,而且能有效识别出损伤程度,识别精度较高。     

由车激响应识别桥梁损伤的灵敏度方法

提出了由过桥汽车激励所产生的动力响应识别桥梁损伤的灵敏度方法。将桥梁等效为等长的欧拉梁单元,汽车等效为两自由度五参数模型,用桥梁损伤因子定义单元抗弯刚度的减小(即损伤的程度)。由损伤因子零向量的假设开始,桥梁损伤可以根据最小二乘法和正则化方法用测试得到的桥梁动力响应识别得到,在数值模拟中考虑了测试误差和路面不平顺的影响。算例表明,提出的识别方法理论正确,识别得到的结果可信,可以有效地、方便地识别桥梁的损伤。     

Dynamic Analysis of Stochastic Finite Element Based on Sensitivity Computation

In this paper, material properties, geometry parameters and applied loads are assumed to be stochastic, sensitivity computation of structural vibration is presented. The vibration equation of a system is transformed to a static problem by using the Newmark method, and the Taylor expansion stochastic finite element method (TSFEM) is extended for the structural vibration analysis. An example is given, and the calculation results show the validity of the proposed method.     

去噪正则化模型修正方法在桥梁损伤识别中的应用

以传统基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础,提出一种结合小波去噪过程的正则化模型修正损伤识别方法.为改进模型修正方法损伤识别效果,一方面利用有损结构模态与模态噪声的波形在时频域内的差异,以结构有限元模型为基准,对实测模态差进行小波去噪处理,并利用修正后的模态构造目标函数;一方面采用正则化方法改善反问题求解的非适定性.由于从输入数据和求解过程两方面同时改善了结构损伤识别反问题的求解,因此可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,正确识别结构损伤.以连续梁桥模型为例的损伤识别数值模拟表明,所提出方法在保持识别算法鲁棒性、抑制噪声的同时,可有效提高桥梁结构损伤的识别精度.     

框架结构连接损伤识别神经网络输入参数的确定

神经网络已越来越多地被用于基于振动的结构损伤识别。而如何选择输入参数还是一个值得研究的问题。本文提出了一种由 频率与少数点的模态分量合成的组合参数，作为神经网络的输入向量，以克服单独使用某种参数的缺陷。通过一个六层框架的数值模拟和一个两层框架的实验验证，表明本文提出的组合参数对框架结构的连接损伤识别是实用可行的。     

Parametric identification of vehicle’s structural characteristics

A method for the estimation of structural parameters in commercial passenger vehicles is proposed in this paper. The novel scheme assumes that the vertical dynamics of the vehicle can be described by a seven degrees-of-freedom (pitch – bounce – roll) model and formulates the discrete-time equivalent of the analytical equations, using the bilinear (Tustin) approximation. A corresponding vector autoregressive-moving average with exogenous inputs model with special architecture is derived, for any case of the acquired vibration response data, which is estimated through the implementation of a hybrid identification method. Accurate structural, as well as modal parameters extraction is obtained by the discrete-to-continuous transformation of the estimated characteristic matrix polynomial.     

海洋平台结构环境激励的实验模态分析

介绍了对位于渤海湾的“埕岛二号”中心生活平台所进行的现场测试实验,该平台为直立式导管架钢结构平台。此次现场实验是在波浪力、风等环境载荷激励下测试结构动力响应的。利用频域的模态识别法峰值法(PP)和时域中的自然激励法(NExT)结合特征系统实现算法(ERA)分别对海洋平台结构现场测试的动力响应数据进行模态参数识别;利用ANSYS建立了该平台结构的三维有限元模型,并进行结构的模态分析。海洋平台结构的理论和实验模态分析结果吻合较好,分析结果表明该类模态参数识别方法能够为结构损伤诊断提供基准模型,可以运用于实际结构的健康监测以及维护维修。