基于人工鱼群算法的结构损伤检测方法研究

摘要

结构健康监测对土木工程可持续发展战略具有较为深远地影响，而结构损伤检测技术作为结构健康监测系统中的核心环节，在近二十年内已得到国内外学者地广泛研究与关注。基于动力测试的结构损伤检测方法是目前普遍公认的检测方法，它运用动力学理论、振动测试与分析技术、系统识别技术以及信号处理技术对损伤前后结构的动力学响应进行分析来检测结构是否发生损伤、损伤位置及损伤程度。迄今为止已提出了很多结构损伤检测方法但大多数方法都局限于特定的数值仿真模型和试验模型，迄今为止还未有一种通用的结构损伤检测方法应用于实际的工程中。因此，结构损伤检测技术的研发既是结构工程领域的刚性需求也是结构健康监测领域的研究热点和难点，其价值和应用前景不言而喻。
　　本文针对结构损伤检测数学模型—带约束条件的目标优化函数—的输入和输出，着重开展了以下几个方面的研究工作：
　　1)研究了传统模态参数识别方法和随机子空间法。利用Benchmark四层框架结构模型的数值响应信号识别出无损结构的模态参数，与理论计算模态参数比较可知：随机子空间法的模态参数识别结果较频响函数法、峰值拾取法准确。
　　2)提出了一种全局改进人工鱼群算法。通过三种基准测试函数重点研究了算法各参数对算法计算性能(收敛精度、速度和效率)的影响，并得到了各参数最优取值范围及最优组合方案。比较了算法改进前后的计算性能，结果表明全局改进算法的计算性能明显好于基本人工鱼群算法。
　　3)探讨了将人工鱼群算法应用于结构损伤检测领域的可行性和有效性。分别研究了 ASCE Benchmark 四层框架结构的五种损伤工况和两层平面刚架结构的对称损伤、非对称损伤工况，数值仿真结果表明本文所提出的基于人工鱼群算法的结构损伤检测是有效可行的。
　　4)提出了结构损伤分步检测方法。第一步利用残余力向量判断损伤个数；第二步利用损伤前后各单元的模态应变能比来检测损伤单元位置；第三步利用人工鱼群算法对损伤单元的损伤程度进行优化计算。平面桁架结构数值仿真试验结果表明了该方法具有较好的抗噪性，并且在振型不完备的情况下仍能准确地检测出结构损伤。
　　5)损伤检测方法的试验验证。在试验室中完成了钢桁架桥梁模型损伤检测试验，先利用随机子空间法识别出各工况的模态参数，然后利用试验模态对有限元模型进行修正，最后采用修正后的有限元模型和实测损伤工况的模态参数来检测结构损伤，检测结果表明本文所提出的分步检测方法能成功实现钢桁架桥的损伤检测。

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1 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2 结构健康监测的概念及现状

1.3 结构损伤检测方法研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 人工鱼群算法基本原理及性能测试

2.1 引言

2.2 基本人工鱼群算法原理

2.3 人工鱼群算法全局收敛性证明

2.4全局人工鱼群算法

2.5 人工鱼群算法参数分析及性能测试

2.6 本章小结

3 基于人工鱼群算法的结构损伤检测

3.1 引言

3.2 结构损伤检测数学模型

3.3 结构模态参数识别方法

3.3 Benchmark框架结构损伤检测

3.4 两层刚架结构损伤检测

3.5 本章小结

4 桁架结构损伤分步检测方法研究

4.1 引言

4.2 结构损伤分步检测方法基本原理

4.3 振型扩充

4.4 桁架结构数值仿真模型

4.5 人工鱼群算法的损伤识别结果

4.6 分步法损伤检测结果

4.7 本章小结

5 钢桁架桥梁模型损伤检测试验研究

5.1 引言

5.2 试验模型设计概况

5.3 试验设备及步骤

5.4 测试结果校验及有限元模型修正

5.5 钢桁架桥梁损伤检测

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 存在问题及展望

参考文献

附录

附录A：攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B：攻读硕士学位期间参与的科研课题

致谢