环境激励下基于应变模态的结构损伤识别方法研究

摘要

基于振动理论的损伤识别方法以其具有检测方便、灵敏度高等优点，近年来一直是结构健康监测领域的研究热门。由于结构应变较之位移包含了更多结构局部信息，所以应变模态对结构损伤更为敏感，为此本文重点研究环境激励下基于应变模态的损伤识别方法，提出了新的损伤识别指标，并通过数值仿真和实验进行了有效性验证，最后重点比较了压电薄膜（PVDF）传感器与传统的电阻应变（RS）传感器的损伤识别性能，主要研究工作有： (1)本文通过对位移模态理论的深入学习，分别使用有限元法、位移与应变关系法和连续体振动微分方程法等三种方法完成了应变模态的理论推导，同时介绍并推导了应变模态中模态正交性、瞬态应变响应函数和应变频响函数等重要性质；接着，为更好的获得环境激励下的结构应变模态参数，本文从位移模态理论出发推导出基于应变模态的NExT-ERA模态识别算法，并使用MATLAB软件按照NExT-ERA算法计算流程图完成了程序实现。 (2)本文研究了基于应变模态的损伤识别指标，包括基于应变模态振型、模态应变能和模态柔度等损伤指标，并提出基于柔度矩阵LU分解的新的损伤指标，通过建立一维简支梁和二维弹性薄板仿真模型完成对各损伤指标的数值仿真验证，验证了各损伤指标的有效性，同时对比了各指标的损伤识别特性。结果表明：各损伤指标均可识别数值模型的损伤，确定损伤位置，并在一定程度上评估损伤程度；基于模态柔度的损伤指标较之基于模态振型的损伤指标具有较好的损伤识别效果；基于模态应变能和曲率模态的损伤指标，具有较好的损伤识别能力，在损伤识别方面具有一定的优越性。 (3)本文设计了弹性薄板实验平台，分别进行了模态识别实验、损伤识别实验和传感器对比实验。模态识别实验验证了基于应变模态的NExT-ERA模态识别方法的有效性，可在环境激励下识别结构应变模态参数；损伤识别实验验证了本文提出损伤指标的有效性，表明提出的损伤指标具有良好的损伤识别性能；传感器对比实验分别从结构模态、损伤位置、损伤距离和损伤程度等角度着重对比压电薄膜（PVDF）传感器与传统的电阻应变（RS）传感器的损伤识别性能，结果表明PVDF传感器与传统的RS传感器相比具有灵敏高，损伤识别效果好，识别距离远等优点，适宜应用于结构健康监测的损伤识别领域。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 损伤识别方法研究现状

1.3.1 基于模态参数的损伤识别方法

1.3.2 基于现代信号处理技术的损伤识别方法

1.3.3 基于计算智能的损伤识别方法

1.3 应变模态参数识别方法研究现状

1.4 本文主要工作

2 应变模态分析基本理论

2.1 应变模态的理论推导

2.1.1 基于有限元方法推导应变模态振型

2.1.2 基于位移与应变关系推导应变模态振型

2.1.3 基于振动微分方程推导应变模态振型

2.2 应变模态正交性

2.3 结构瞬态应变响应函数

2.4 结构应变频响函数

2.5 本章小结

3 基于NExT-ERA的应变模态识别方法

3.1 基于应变模态的自然激励技术

3.2.1 单点激励下的应变响应函数

3.2.2 应变响应互相关函数

3.2 基于应变模态的特征系统实现算法

3.2.1 基于应变模态的状态空间模型

3.2.2 离散时间系统的最小实现

3.2.3 应变模态参数辨识

3.3 系统模态辨识问题

3.3.1 系统阶次确定

3.3.2 有效模态辨识

3.4 基于应变响应的NExT-ERA算法操作流程图

3.5 本章小节

4 基于应变模态的弹性薄板损伤识别研究

4.1 弹性薄板弯曲振动基本理论

4.1.1 弹性薄板弯曲振动方程

4.1.2 不同边界条件的薄板振动

4.2 基于应变模态的损伤指标研究

4.2.1 基于应变模态的振型损伤指标

4.2.2 基于应变模态的模态柔度损伤指标

4.2.3 基于模态应变能的损伤识别指标

4.2.4 基于模态柔度的损伤识别新指标

4.3 基于两端简支梁的数值仿真验证

4.3.1 简支梁数值模型

4.3.2 应变与位移模态振型损伤对比

4.3.3 基于模态应变能的损伤指标

4.3.4 基于应变模态与模态应变能的损伤指标对比

4.4 基于弹性薄板的数值仿真验证

4.4.1 弹性薄板数值模型

4.4.2 模态振型与模态柔度损伤指标验证

4.4.3 基于模态柔度的损伤识别新指标验证

4.5 本章小结

5 基于弹性薄板的损伤识别实验验证

5.1 弹性薄板实验平台及实验流程

5.2 基于应变格式NExT-ERA方法的模态识别实验

5.3 基于应变模态的损伤识别指标实验验证

5.4 电阻应变传感器与PVDF传感器对比实验研究

5.4.1 模态频率与振型对比

5.4.2 损伤位置识别效果对比

5.4.3 识别距离对比

5.5 本章小结

结论与展望

论文工作总结

工作展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文及研究成果

致谢

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