基于完备模态空间的两阶段结构损伤识别方案

论文摘要

在结构损伤检测中,利用模态参数构造指标进行损伤识别的方法具有构造简单、实施方便的特点,因此得到了广泛的研究和应用。损伤识别一般应该包括以下三个方面:一是判断是否发生损伤;二是判断损伤的位置;三是判断损伤的程度(进一步的要求是对可能发生的损伤进行预测)。根据构造方式的不同,利用模态参数的损伤指标可分为若干种,损伤识别的准确程度各不相同。影响此类指标识别性能的因素主要包括:模型误差、模态截断以及测量噪音等。各指标均不同程度地受上述因素的影响,但都具有一定的适用范围。从目前的研究成果来看,很难找到一种既对损伤敏感又具有较好抗噪性能的指标。作者首先从指标定义和指标应用的角度,对目前已有的指标进行了综合分析与评价,指出了各自的特点。此后,结合简支梁算例,对模态柔度曲率差、均匀荷载面曲率差、单元模态应变能改变率、单元损伤变量以及单元刚度折减系数等几种典型的损伤指标进行了对比,着重研究了模态截断和测量噪音对指标的影响程度。结果表明,模态柔度曲率差以及均匀荷载面曲率差这类指标,虽然对损伤很敏感且只需较低阶的模态参数,但抗噪性能很差;单元模态应变能改变率和单元刚度折减系数法,虽然具有一定的抗噪性能,但前提是需要更高阶的模态参数,因此受模态截断的影响更大。相比之下,单元损伤变量体现了良好的损伤定位性能和抗噪性。考虑到单元刚度折减系数法能同时定位和定量损伤以及实用完备模态空间理论能利用低阶模态构造等效高阶模态的特点,将完备模态空间理论与该方法相结合,力图克服模态截断带来的影响。此外,如果能初步确定损伤单元的范围,则能减小该方法损伤方程的规模,增加方程求解的稳定性。经验证,采取上述措施能明显提高单元刚度折减系数法的识别精度和抗噪性能。因此,作者将单元损伤变量同改进后的单元刚度折减系数法相结合,提出了一种两阶段损伤识别方案。即首先利用单元损伤变量进行损伤定位,然后再根据定位结果,利用改进后的单元刚度折减系数进行损伤定量。并从实用角度出发,给出了该方案具体的实施步骤。分别选取简支梁、连续梁、桁架以及框架等结构形式的仿真算例对所构造的两阶段损伤识别方案进行了验证,着重考察了结构形式、噪音程度以及损伤程度对该方案的影响。结果表明,对选取的结构形式来说,本文方案的识别效果都明显优于已有指标,在只利用较少低阶模态参数的情况下,可以在一定损伤程度、噪音水准以及误差范围内对各结构进行准确地损伤识别。通过上述研究内容,本文为利用基于模态参数的损伤识别方法,提供了一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 结构健康监测和损伤识别技术的发展
• 1.2 结构健康监测中的损伤识别方法简述
• 1.2.1 结构损伤识别的目标和分类
• 1.2.2 借助于有限元模型的模型更新方法
• 1.2.3 基于结构模态参数的损伤指标法
• 1.2.4 基于统计特性的参数识别方法
• 1.2.5 基于人工神经网络（ANN）的损伤识别方法
• 1.2.6 基于小波分析的损伤识别
• 1.3 本文研究的主要目的和内容
• 1.3.1 本文研究的主要目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 基于模态参数的损伤识别指标
• 2.1 直接利用模态参数的损伤识别指标
• 2.1.1 基于固有频率的损伤识别指标
• 2.1.2 基于振型的损伤识别指标
• 2.1.3 结合固有频率和振型的损伤识别指标
• 2.2 基于模态应变能的损伤识别指标
• 2.2.1 单元模态应变能改变率EMSECR
• 2.2.2 单元损伤变量D
• 2.3 基于结构特征方程的单元刚度折减系数法
• 2.3.1 结构的特征方程
• 2.3.2 单元损伤指标Δα的定义
• 2.3.3 关于单元刚度折减系数Δα损伤方程的构造
• 2.3.4 方程求解的方法
• 2.4 影响损伤指标识别能力的因素
• 2.5 本章小结
• 3 各指标的识别能力及对比研究
• 3.1 损伤指标的选取
• 3.2 简支梁算例
• 3.2.1 模态分析程序的开发
• 3.2.2 有限元模型的建立
• 3.2.3 损伤工况的设定
• 3.2.4 各损伤工况下简支梁的模态参数
• 3.2.5 各指标的识别结果
• 3.2.6 测量噪音的影响
• 3.3 本章小结
• 4 结合完备模态空间理论的两阶段损伤识别方案
• 4.1 实用完备模态空间理论
• 4.2 完备模态空间与损伤指标相结合
• 4.3 选用部分单元构造关于Δα的损伤方程
• 4.4 有关上述改进措施合理性的探讨
• 4.4.1 方程的相对误差范围以及系数矩阵的条件数
• 4.4.2 从误差分析的角度验证上述改进措施的合理性
• 4.5 两阶段损伤识别方案的提出
• 4.6 本章小结
• 5 仿真算例分析
• 5.1 简支梁仿真算例
• 5.1.1 有限元模型的建立
• 5.1.2 损伤工况的设定
• 5.1.3 模态分析
• 5.1.4 识别结果与对比
• 5.2 连续梁仿真算例
• 5.2.1 有限元模型的建立
• 5.2.2 损伤工况的设定
• 5.2.3 模态分析
• 5.2.4 识别结果与对比
• 5.3 简支桁架仿真算例
• 5.3.1 有限元模型的建立
• 5.3.2 损伤工况的设定
• 5.3.3 模态分析
• 5.3.4 识别结果与对比
• 5.4 悬臂桁架仿真算例
• 5.4.1 有限元模型的建立
• 5.4.2 损伤工况的设定
• 5.4.3 模态分析
• 5.4.4 识别结果与对比
• 5.5 框架仿真算例
• 5.5.1 有限元模型的建立
• 5.5.2 损伤工况的设定
• 5.5.3 模态分析
• 5.5.4 识别结果与对比
• 5.6 本章小结
• 6 主要结论与前景展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 存在的问题以及前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录