基于振动响应传递率函数的结构损伤识别方法

摘要

随着经济的发展和科技的进步，各国建造了越来越多的大型结构，由于在设计和施工的过程中往往会存在缺陷，以及结构在服役过程中会遇到荷载作用、环境侵蚀、材料老化、疲劳，和一些突发事件如台风、地震、撞击等因素影响，使得对正常荷载、自然灾害和环境作用的承载力下降，引起重大的灾难事故，所以近几十年，基于振动参数的结构损伤识别方法得到蓬勃发展，主要是从结构振动响应信号中提取结构的基本特性如自振频率、振型、阻尼比等，并将这些信息进一步用于结构的损伤判定、定位和定量。现有的损伤识别方法中很多需要测试结构的外激励，但是对实际的工程结构，外激励不易测得，所以本文提出基于振动响应传递率函数的损伤识别方法，不依赖外部激励，只需获得结构各测点的振动响应；本文中推导和建立了加速度传递率函数公式，并进而得到传递率函数协方差参数公式和传递率函数幅值序列，结合模型修正方法，对结构进行损伤识别，并把这两种方法应用于三跨连续梁和七层框架结构，研究了传递率函数协方差参数随着损伤程度增加时的变化趋势和特性，和对不同噪声程度和不同损伤程度的一处损伤、两处损伤和三处损伤的多种损伤工况进行了研究分析； 在求解损伤识别方程这类反问题时，病态问题难以避免，本文介绍了一致正则化的原理，它充分利用迭代求解过程中暗含的结构状态信息，建立变化的边界约束条件来获得识别方程的具有工程物理意义解，并把它应用到了本文的损伤识别算例中，发现它比Tikhonov正则化有更好的改善效果。通过本文的研究，发现响应传递率函数协方差参数是一个对结构损伤敏感，有一定的抗噪能力，无需测量外激励，甚至无需结构分析模型的健康状态监测指标，基于这些特性，它较适合直接应用于环境激励下的结构健康监测，所以有较好的工程应用前景。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2结构健康监测概述

1.3 结构损伤识别的主要研究方`法

1.3.1动力指纹分析法

1.3.2 基于模型修正的损伤识别方法

1.3.3 基于神经网络的损伤识别方法

1.3.4 基于时频域的损伤识别方法

1.3.5 基于遗传算法的损伤识别方法

1.4 实际应用面临的问题

1.5本文研究的主要内容

第二章 基于传递率函数协方差参数识别方法的基本原理

2.1频响函数的基本理论

2.2传递率函数的基本理论

2.3传递率函数的协方差参数

2.4基于传递率函数协方差参数灵敏度的结构损伤识别方法

2.4.1 损伤模型

2.4.2 损伤识别方程

2.4.3损伤识别的过程

一致正则化理论

3.1 一致正则化

3.2 正则化参数的确定

3.3 收敛准则

三跨连续梁的数值模拟

4.1 结构模型的基本信息

4.2 传递率函数协方差参数公式

4.2.1 单损伤

4.2.2 两处损伤

4.2.3 三处损伤

4.2.4 小结

4.3 传递率函数幅值序列

4.3.1 单处损伤

4.3.2 两处损伤

4.3.3 三处损伤

4.3.4 小结

4.4 传递率函数协方差参数公式和传递率函数幅值序列的比较

4.5 一致正则化和Tikhonov正则化的比较

4.5.1无噪声或低噪声情况下的比较

4.5.2中等以上噪声情况下的比较

4.5.3最优正则化参数的比较

4.5.5小结

第五章 七层框架结构的数值模拟

5.1 结构模型的基本信息

5.2 传递率函数协方差参数公式

5.2.1 结构无损伤

5.2.2 结构发生一处损伤

5.2.3 结构发生两处损伤

5.2.4 结构发生三处损伤

5.2.5 小结

5.3 传递率函数幅值序列

5.3.1 结构发生一处损伤

5.3.2 结构发生两处损伤

5.3.3 结构发生三处损伤

5.3.4 小结

5.4 两种方法的比较

5.5 本章总结

结论和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢