基于“能量测试”和优化方法的结构单元损伤识别

论文题目: 基于“能量测试”和优化方法的结构单元损伤识别

论文类型: 博士论文

论文专业: 工程力学

作者: 赵红兵

导师: 顾元宪

关键词: 损伤识别,反问题,结构优化,能量测试,灵敏度分析,凝聚函数

文献来源: 大连理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 结构损伤识别也称为无损探伤技术,其主要研究内容是在不破坏现有结构的基础上,采用各种试验手段对结构进行探测,并通过对测试结果的分析,确定结构的健康状况。结构损伤识别要解决的问题主要有以下三个层次:(1) 、判断结构是否发生损伤;(2) 、确定结构损伤产生的位置;(3) 、识别结构损伤的程度。目前,国内外有很多已经发表的损伤识别方法应用到实际工程中,从磁粉、超声波、X光以至于到工业CT技术,各式各样的测量手段在损伤识别问题中得到了广泛的应用。而基于结构力学响应的损伤识别方法因其试验简单、费用低廉近20年来越来越受到工程和学术界的关注。本文主要是就基于力学响应的损伤识别方法中存在的不足和缺陷展开研究。现有的基于力学响应的损伤识别方法存在的主要问题有:(1) 、结构力学响应相对于损伤参数的灵敏度较低:(2) 、识别结果的不适定性;(3) 、结构发生多处损伤时,模型中未知变量过多导致优化方法失败等。结构的力学响应主要包括静力响应、自振分析和强迫振动,在传统的损伤识别方法中,不同的响应类型是按照不同的列式进行推导和计算的。本文提出了结构能量“测试”的概念,将结构的各类力学响应(主要是目前应用最多的自振分析和静力响应)统一起来,推导同样的列式,在损伤识别过程中只需得到结构的应变能,而不用考虑观测数据的来源及其计算公式。仅从应变能的变化考虑如何提高结构响应对于损伤参数的灵敏度。为了克服结构力学响应相对于损伤参数灵敏度太低的问题,本文在能量测试的基础上提出了“附加子系统”的思想,就是在测试结构上增加附加的外部系统,如外力、附加质量块、附加支撑、阻尼等。通过这些“附加子系统”的引入,改变结构的应变能密度分布情况,使得结构损伤部位的应变能密度极大化,从而提高损伤造成的结构力学响应变化,实现提高结构力学响应相对于损伤参数灵敏度的目的。理论推导和数值算例表明了方法的实用性和有效性。结构的损伤不止一处时,如果将损伤描述成为结构单元刚度的变化,那么整个结构的所有单元刚度都将成为损伤识别优化模型中的设计变量(待识别损伤参数),设计变量的数目太多将导致结构优化方法失败;如果用损伤位置和损伤尺寸描述结构的损伤,由于损伤数目无法确定,损伤识别的优化模型成为一个设计变量不定的离散结构优化问题,目前还没有成熟的算法可以求解。本文引入一种新型损伤指示函数,首先确定结构中损伤的数目,采用损伤处结构单元刚度降低描述损伤程度,以测试数据组合的损伤指基于“能量测试”和优化方法的结构单元损伤识别示函数和有限元模型计算损伤指示函数的最小二乘作为目标函数构造损伤识别问题的优化模型,很好地解决了上述问题。本文采用极大极小问题构造损伤识别的优化模型,通过凝聚函数将极大极小问题转化为一个目标函数连续可微的无约束优化问题,采用基于灵敏度分析的序列线性规划方法求解。为了考查方法的抗噪能力,在原始观测数据中引入随机误差,连续粱、板结构的数值算例证明了方法的可行性和实用性。最后,对全文工作进行了总结,并提出了需进一步研究的工作内容。务子“卜、产州曰关键词:损伤识别,反问题,结构优化,能量“测试”,灵敏度分析,凝聚函数

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1． 1 引言

1． 2 课题背景及研究意义

1． 2． 1 工程背景

1． 2． 2 理论意义

1． 3 国内外研究概况

1． 3． 1 以实测模态参数进行结构动力修改

1． 3． 2 模态比较及损伤确定

1． 4 文献综述

1． 4． 1 损伤对结构动力特性的影响

1． 4． 2 利用频率变化识别结构损伤

1． 4． 3 反问题方法

1． 4． 4 矩阵修正方法

1． 4． 5 基于动态测量的柔度修正方法

1． 5 本文的研究工作

1． 5． 1 本文的主要研究工作内容

1． 5． 2 本文主要研究的问题和研究方法

2 反问题及其方法概述

2． 1 引言

2． 2 反问题数学构造及其分类

2． 3 损伤识别问题的反问题模型

2． 4 反问题求解的难点

2． 5 参数识别反问题研究现状

2． 5． 1 线性反问题

2． 5． 2 非线性反问题

3 结构优化算法概述

3． 1基本概念

3． 3 引言

3． 2 优化方法的一般步骤

3． 3． 1 无约束优化问题

3． 3． 2 约束优化问题

3． 3． 3 无约束优化问题的求解方法

3． 3． 4 受约束优化问题的求解方法

3． 3． 5 遗传算法

3． 3． 6 软件开发平台JIFEX简介

4 基于结构应变能变化的损伤识别方法与最优试验条件选取

4． 1 引言

4． 2 测量内容

4． 3 附加子系统和能量变化灵敏度

4． 4 识别问题的求解模型

4． 5 算例

4． 6 小结

5 结构多点损伤识别方法

5． 1 引言

5． 2 损伤指示函数及其局部化特性

5． 3 损伤识别问题的优化求解模型与灵敏度计算

5． 3． 1 损伤识别问题的优化模型

5． 3． 2 目标函数灵敏度计算

5． 3． 3 结构自振频率与相关模态灵敏度计算

5． 4 数值算例

5． 5 小结

6 基于凝聚函数的损伤识别方法

6． 1 引言

6． 2 极大极小问题

6． 3 凝聚函数

6． 3． 1 凝聚函数的推导

6． 3． 2 凝聚函数的基本性质

6． 4 损伤识别的极大极小优化模型

6． 5 数值算例

6． 6 小结

7 总结与展望

7． 1 总结

7． 2 进一步的研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢

发布时间: 2005-07-04

参考文献

[1].基于反馈控制与统计分析的结构损伤识别技术研究[D]. 王真.华中科技大学2007

基于“能量测试”和优化方法的结构单元损伤识别

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