未知激励下结构实时损伤诊断与振动控制结合

摘要

结构实时损伤诊断是一项重要且有意义的课题，未知激励下的结构实时损伤诊断更是一项富有挑战性的课题。大多数结构损伤识别方法只针对时不变系统进行参数识别，而没有在线追踪时变系统参数的变化。
　　本文第二章针对时变系统提出一种未知激励下结构实时损伤识别的时域算法，利用部分观测的加速度响应信号对结构的损伤进行在线追踪。实际上，结构局部单元刚度的突然变化，将会最先导致其单元周围的加速度的突然变化，而这种由于局部单元损伤造成的影响将会过一段时间才能在距损伤发生单元较远的单元中体现出来。实时损伤识别包括三个阶段:第一阶段基于扩展卡尔曼预测算法识别结构的动力响应和物理参数，并利用最小二乘算法估计未知外部激励;第二阶段利用预测估计得到的预测加速度与观测加速度间误差的突变来判断结构刚度参数发生突变的时刻和结构可能发生损伤的单元;第三阶段通过求解有约束的优化函数得出发生损伤的确切单元和损伤程度，并在线更新结构刚度参数以继续进行实时结构参数识别。通过数值模拟并应用台湾大学Chin-HsiungLoh教授提供的三层钢框架结构损伤实验的数据对该算法进行验证，计算结果表明这种方法能够在未知外部激励的作用下，能有效的在线追踪结构刚度参数的突变和识别未知激励，并具有良好的抗噪性。
　　由于随自由度的增多，将复杂结构作为一个整体进行识别会大大降低计算效率，使精度变差。因此本文第三章引入子结构的方法，将一个自由度数目较多的整体结构划分为若干子相对独立的子结构，各子结构在公共边界的节点处相连接，对每个小结构分别进行实时的损伤识别，其中子结构间的相互作用力可视为施加给结构的“附加未知激励”，此“附加未知激励”可由相邻子结构的相关信息进行计算后得到传递，因此相邻子结构界面自由度响应无需观测仍能精确识别。该方法可用于子结构界面自由度响应不观测的情况。提高了传感器布置的灵活性，在减小传感器布置难度的同时也减少了布置传感器所需的费用，较经济实用。通过一未知激励下大型桁架划分为两个子结构分别进行实时损伤追踪的数值算例，验证观测信息不完备情况下该方法的有效性和可靠性。
　　大多数结构健康监测系统和振动控制系统都是分开实施而不是在线进行的。由于对结构进行振动控制时，结构的物理参数往往因施工、使用年限等原因不能精确得到，因此会使结构的振动控制效果大打折扣，且将这两项系统分开实施较耗费成本。针对这一问题本文第四章提出一种新的结构损伤追踪和瞬时最优控制实时相结合的时域算法。在对结构加速度响应信号部分观测的情况下，在线完成对结构的系统识别包括动力响应和物理参数的识别，未知外部激励的识别，同时在线追踪结构的损伤并实时更新结构参数，然后利用实时更新的结构参数基于瞬时最优控制算法对结构进行振动控制，真正达到对结构在线边识别边控制的目的。然后通过已知和未知激励下六层剪切框架的数值模拟验证本文提出方法的有效性和稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 本论文相关问题的研究现状

1．2．1 结构损伤识别的若干研究现状

1．2．2 结构实时损伤诊断的若干研究现状

1．2．3 未知激励下结构损伤识别的若干研究现状

1．2．4 子结构方法的若干研究现状

1．2．5 结构损伤识别与振动控制实时相结合的新方法的若干研究现状

1．3 本文研究内容及创新点

第二章 未知激励下结构实时损伤诊断

2．1 未知激励下实时损伤诊断算法

2．1．1 第一阶段

2．1．2 第二阶段

2．1．3 第三阶段

2．2 数值算例

2．2．1 八层平面剪切框架

2．2．2 小型平面桁架

2．3 三层钢框架的损伤识别实验

2．4 本章主要内容及创新点小结

第三章 未知激励下子结构系统的实时损伤诊断

3．1 基于子结构方法的实时损伤诊断算法

3．1．1 第一阶段

3．1．2 第二阶段

3．1．3 第三阶段

3．2 子结构系统的损伤识别流程图

3．3 数值算例

3．4 本章主要内容及创新点小结

第四章 结构损伤识别和振动控制实时相结合的综合方法

4．1 瞬时最优控制理论

4．2 损伤识别和振动控制实时相结合的算法

4．2．1 未知激励下系统参数识别算法

4．2．2 振动控制

4．2．3 未知激励下结构实时损伤识别算法

4．2．4 流程图

4．3 数值算例

4．3．1 已知地震激励下六层平面剪切框架

4．3．2 未知白噪声激励下六层平面剪切框架

4．4 本章主要内容及创新点小结

第五章 总结与展望

5．1 内容小结

5．2 创新点总结

5．3 展望

参考文献

致谢