受控结构的损伤识别及振动控制与健康监测一体化

摘要

近年来,大量的研究关注了结构振动控制与健康监测在地震与台风等自然灾害条件下的应用与发展。本文研究内容将着眼于以下两个方面:研究受控结构的结构损伤识别方法;基于该结构损伤识别方法构造结构振动控制与健康监测的一体化系统。通过以上研究可以实现结构的振动控制系统和健康监测系统的一体化,这对于实际工程应用将更加经济,且能加强系统的结构振动控制性能和结构损伤识别性能并有利于创造智能化结构,具有重要的理论价值和现实意义。本论文主要内容包括以下几个方面:
　　(1)针对安装有半主动摩擦阻尼器控制装置的受控结构提出了一种新的系统识别和损伤识别的方法。该方法基于运用半主动摩擦阻尼器和结构频响函数的模型修正技术。通过半主动摩擦阻尼器提供的附加刚度,创造出结构的两种状态:没有任何附加刚度的原结构;拥有已知附加刚度的结构。考虑到剪切型结构刚度矩阵的组成特点和结构参数的转换特性,提出了一种基于上述两种结构状态的频响函数的修正结构刚度矩阵并且识别结构刚度参数的方法。假定结构在长时间服务或者遭遇极端事件后受到破坏,运用上述模型修正方法可以得到受损结构的刚度参数。通过运用上述方法分别识别未损结构和受损结构的刚度参数,提出了一个结构损伤识别方案。最后通过一个具体结构模型的数值算例,验证了该识别方法在不同的激励条件下以及测量噪声干扰下的可行性。
　　(2)论述了基于频响函数及控制装置提供附加刚度的结构损伤识别方法在大底盘结构上的实验研究。建造了由12层主楼和3层裙楼组成的结构模型以模拟大底盘结构。主楼和裙楼之间的连接处被认为最易受到损伤,因此在实验中通过改变该连接处的刚度以模拟大底盘结构的损伤。为了模拟由半主动摩擦阻尼器提供的附加刚度,设计了一个钢制圆环弹簧并用于为大底盘结构模型提供附加刚度。通过改变连接刚度,采用偏心轮激振系统,附加或不附加圆环弹簧,对大底盘结构模型进行了8种工况的测试并相应地得到了8组频响函数。实验数据被用于先前所述基于频响函数的结构损伤识别方法以识别结构的损伤(连接刚度的改变)。实验结果表明基于频响函数的结构损伤识别方法能有效地识别大底盘结构的损伤位置和损伤程度。
　　(3)提出了基于半主动摩擦阻尼器的结构振动控制与健康监测一体化。首先采用基于半主动摩擦阻尼器提供附加刚度及结构频响函数的系统识别方法对结构参数进行识别和模型修正。接着,依据修正后的结构参数矩阵,运用一种带稳态卡尔曼滤波的局部反馈控制算法对结构进行地震响应控制。最后将参数识别方法分别应用于未损结构和受损结构,通过比较两者的物理参数进行结构损伤识别。通过对一个五层剪切型结构进行的数值模拟研究,验证了该结构振动控制与健康监测一体化系统能很好的识别出结构的水平层刚度,有效地控制结构振动响应的峰值和均方根,在测量噪声干扰下也能较为精确地识别出结构单一损伤或多损伤的损伤位置和损伤程度。
　　(4)针对受控结构提出了一种未知地震作用下的结构时变损伤识别方法。首先,考虑结构参数为时不变时,通过假定未知激励的估计值形式,提出了基于最小二乘估计未知激励的递推识别方法。然后,考虑结构所承受的所有外部激励均为已知时,依据基于测量数据的卡尔曼滤波增益最优性条件,提出了基于扩展卡尔曼滤波的结构时变参数识别方法。接着,综合上述研究,提出了未知激励作用下结构时变损伤的识别方法。具体结构模型的数值模拟研究表明,当受控结构承受未知地震激励而发生损伤时,该方法可以识别出作用于结构上的地震加速度时程,同时准确地捕捉到结构损伤发生的时间,损伤发生的位置及损伤的程度。
　　(5)提出了能够实现两个系统实时数据共享并对主动、半主动控制装置具有普适性的结构振动控制与健康监测一体化的时域法。在该结构振动控制与健康监测一体化系统中,振动控制系统采用MR阻尼器并运用滑动最优位移控制方案,健康监测系统则采用基于最小二乘估计及扩展卡尔曼滤波的结构时变损伤识别方法。将由力传感器测得的由控制装置提供的控制力实时提供给结构健康监测系统以提高结构损伤识别和结构时变参数识别的效果,而结构健康监测系统识别的结构时变参数也被提供给振动控制系统以实时修正控制算法并保持最优的控制力。数值模拟研究表明:该结构振动控制与健康监测一体化系统既能有效地降低结构的地震响应,又能准确地识别未知地震激励和结构时变参数并捕获结构损伤过程。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2结构振动控制研究进展

1.3结构健康监测研究进展

1.4结构振动控制与健康监测一体化研究进展

1.5本文主要研究内容

第2章 基于频响函数的受控结构损伤识别方法

2.1引言

2.2理论发展

2.3数值算例

2.4本章小结

第3章 基于频响函数的受控大底盘结构损伤识别方法实验研究

3.1引言

3.2基于频响函数的结构损伤识别方法

3.3实验方案

3.4实验结果

3.5结构模型修正

3.6结构损伤识别

3.7本章小结

第4章 基于半主动摩擦阻尼器的结构振动控制与健康监测一体化

4.1引言

4.2结构振动控制与健康监测一体化的基本概念

4.3基于频响函数的结构损伤识别方法

4.4结构振动控制方案

4.5数值算例

4.6本章小结

第5章 未知地震作用下受控结构时变损伤识别方法

5.1引言

5.2基于最小二乘估计的未知地震激励识别方法

5.3基于扩展卡尔曼滤波的结构时变损伤识别方法

5.4未知地震作用下受控结构时变损伤识别方法

5.5数值算例

5.6本章小结

第6章 结构振动控制与健康监测一体化的时域法

6.1引言

6.2结构振动控制与健康监测一体化时域法的基本概念

6.3结构振动控制系统

6.4未知地震作用下结构时变参数的识别方法

6.5数值算例

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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