基于结构振动模态分析的损伤识别数值与试验研究

摘要

土木工程结构在其设计使用年限内长期受到环境荷载作用,将不可避免地产生不同程度的损伤,从而埋下了事故的隐患。我们可以利用结构的动力特性和结构的物理参数两者之间的映射关系,通过分析结构的振动测试信息来实现结构的损伤诊断。这种基于振动响应的无损检测技术在土木工程健康检测及安全评估中发挥着重要的作用,已引起广泛的关注。
　　准确的结构动力特性参数是运用基于振动响应的无损检测技术的前提和基础。本文首先分析了利用自然激励技术(NExT)和特征系统实现算法(ERA)进行结构模态参数识别的理论基础,提出利用奇异熵增量的导数来确定系统的阶次,用以解决 ERA模型定阶困难这一问题。然后,通过Simulink对一简支梁结构进行了数值仿真。结果表明自然激励技术(NExT)和特征系统实现算法(ERA)可以准确的识别结构模态参数,具有较好的抗噪能力。
　　在此基础上,本文采用灵敏度分析和优化算法建立结构振动特性与损伤信息的关系,进行结构损伤识别研究。主要研究了两个方面的问题,一方面,本文采用矩阵摄动理论,提出了单元损伤的一阶和二阶灵敏度分析的损伤识别方法;进一步提出了迭代损伤识别方法,解决了摄动法对大损伤程度识别精度低的问题;同时探讨了定位定量的两步法,有效的改善了实测模态参数不完备时的识别效果。通过数值算例验证发现,摄动灵敏度方法在保证识别精度的前提下大大减少了计算量。另一方面,本文将损伤识别问题转化为约束优化问题,建立了测量模态参数与理论模态参数的误差目标函数,并采用一种随机搜索全局优化新方法――粒子群优化算法(PSO)进行损伤识别;建立了基于柔度灵敏度的传感器优化布置方法,利用有限的传感器获得尽可能多的损伤信息;并提出了子结构分布式损伤识别法,较好地解决了由于识别参数太多导致优化求解的效率降低的问题。通过算例验证了方法的有效性。
　　最后,对上述算法进行了实验验证。采用一槽钢悬臂梁结构,在槽钢上切割缺口模拟损伤。分别对损伤和未损伤结构进行了振动测试,并通过 ERA方法获取损伤前后的模态参数,然后进行了模型修正,建立了未损伤梁的基准模型,再利用测试信息和基准模型进行损伤识别。结果表明,灵敏度方法和优化算法均能较好地识别损伤位置,识别的损伤程度可以定性的反映单元损伤大小。

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第1章 绪 论

1.1 损伤识别的工程背景及意义

1.2 损伤识别方法的研究现状

1.3 结构损伤定义说明

1.4 现有研究存在的不足

1.5 本文所做的工作及研究内容

第2章 模态参数识别的特征系统实现算法

2.1 引言

2.2 特征系统实现算法

2.3 数值仿真

2.4 本章小结

第3章 基于矩阵摄动灵敏度分析的损伤识别

3.1 引言

3.2 矩阵摄动基础

3.3 基于单元参数摄动的系统特征对摄动理论

3.4 单元损伤的特征灵敏度矩阵和损伤识别

3.5 灵敏度分析的结构损伤识别算例及分析

3.6 严重损伤程度识别的迭代法

3.7 灵敏度分析两步法

3.8 本章小结

第4章 基于优化算法的结构损伤识别

4.1 引言

4.2 损伤识别反问题基本理论

4.3 桁架算例

4.4 测试信息不完备的损伤识别

4.5 基于子结构的损伤识别

4.6 本章小结

第5章 损伤识别试验验证

5.1 引言

5.2 试验设置及测试

5.3 测试结果及模型修正

5.4 损伤识别

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文的主要工作及结论

6.2 展望

参考文献

致谢