基于曲率模态的梁式结构损伤识别方法的改进

摘要

处于复杂环境中的工程结构在使用过程中，由于受各种因素影响不可避免的会产生不同程度的损伤、开裂或者老化，从而埋下隐患，危害到结构本身的安全和人员生命安全以及财产的损失。因此，对结构进行损伤识别对于减少损失具有重要的现实意义。 本文首先简要的回顾了结构损伤识别领域的发展历史、研究现状，着重研究了基于振动测试的损伤识别诊断方法，并根据研究结果针对性的提出了当前研究所存在的有关问题及发展趋势。本文所完成的主要内容和创新如下： 在基于振动测试的损伤识别诊断方法中，对动力指纹分析损伤识别原理以及所涉及的主要理论方法进行了比较全面的回顾，重点讨论了应用梁式结构曲率模态的理论和方法，在此基础上提出了基于模态刚度指纹进行损伤识别的新的动力指纹。在没有原始结构模态信息的损伤技术中，模态刚度指纹具有计算量小和简单易行等优点，且仅需要低阶模态即可获得良好的识别效果，可以用于初步的损伤识别。 本文通过对简支梁损伤工况进行数值模拟，利用八种损伤指标进行了对比分析，研究了结构单处损伤和多处损伤等工况。由于在结构多处损伤中，损伤单元指标值的独立性较为重要，对此问题也进行了讨论。文中的研究结果表明，模态刚度指纹识别效果良好。在环境噪声工况下，通过数值模拟，分析对比了三种无需损伤前模态信息的损伤指标，发现当利用位移模态获取曲率模态和柔度曲率进行结构损伤识别，即位移模态中含有5％的随机误差：采用上述指标很难把损伤位置识别出来。对于模态刚度指纹，在损伤很小时，可能会滤掉部分非损伤单元，识别效果比较差；但是当损伤程度比较大时，则可以应用于初步的损伤识别。 文中对工字钢梁的损伤情况进行了试验研究，讨论了测量数据误差对损伤识别的影响，发现利用位移模态获取曲率模态和利用应变模态获取曲率模态的结果相差较大，采用上述两种方法获取曲率模态均很难应用于结构的损伤识别。 但对于模态刚度指纹，对于初步的损伤识别还是有用的。对混凝土简支梁的试验研究再次表明，模态刚度指纹的抗噪声能力较曲率模态和柔度曲率指标有一定优势。考虑到现场测试中通常不可能布置很多的测点，因此分析了只有少量测试点时，利用曲率模态、柔度曲率模态和模态刚度指纹进行损伤识别的效果。在测试点不足的情况下，柔度曲率指标和曲率模态指标都很难识别结构的损伤，采用模态刚度指纹进行损伤识别，在损伤很小时，识别效果也不是很好，但随着损伤程度增大，识别能力会愈来愈好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2结构损伤识别的研究现状

1.2.1发展历史

1.2.2无损诊断方法

1.2.3基于振动的损伤识别

1.2.4基于计算智能的结构损伤识别方法

1.2.5基于小波分析的结构损伤识别方法

1.2.6基于概率统计信息的结构损伤识别方法

1.3结构损伤识别的存在问题及发展趋势

1.4本论文的主要研究工作

第2章梁式结构识别的曲率模态方法及其改进

2.1引言

2.2曲率模态的理论依据

2.2.1结构弯曲振动、曲率响应的模态叠加表达式

2.2.2曲率模态的正交性

2.2.3应变模态和曲率模态之间的关系

2.4.4曲率模态函数矩阵和曲率模态测试

2.2.5损伤对梁曲率模态的影响

2.2.6损伤对梁模态频率的影响

2.3通过位移模态计算曲率模态的几种方法

2.4对曲率模态方法的改进

2.5本章小结

第3章动力指纹及其灵敏度分析

3.1引言

3.2动力指纹分析

3.2.1频率指纹

3.2.2振型指纹

3.2.3阻尼指纹

3.2.4柔度差指纹

3.2.5柔度曲率差指纹

3.2.6刚度差指纹

3.2.7曲率模态指纹

3.2.8应变模态指纹

3.2.9基于应变能的损伤指纹

3.2.10基于曲率的模态刚度损伤指纹

3.3模态参数关于刚度改变的敏感度分析

3.3.1固有频率关于刚度改变的敏感度分析

3.3.2模态振型关于刚度改变的敏感度分析

3.3.3模态柔度关于刚度改变的敏感度分析

3.3.4曲率模态关于刚度改变的敏感度分析

3.3.5模态刚度关于刚度改变的敏感度分析

3.3.6模态参数的敏感度系数与刚度的相互关系

3.4曲率模态与模态刚度的误差分析

3.5本章小结

第4章梁式结构的有限元模拟和损伤指标分析

4.1弹性梁损伤检测的仿真算例

4.1.1仿真算例所采用的损伤指标

4.1.2一个单元损伤情况：

4.1.3多个单元损伤情况

4.1.4指标结果分析与对比

4.2高阶模态数值模拟及其在损伤识别中的应用

4.3测量误差分析

4.3.1数值模拟

4.3.2结果分析与对比

4.4本章小结

第5章梁损伤试验研究

5.1 16号工字钢损伤检测试验

5.1.1试验概况

5.1.2试验目的

5.1.3试件设计

5.1.4试验过程

5.1.5试验分析

5.1.6测试点不足对损伤识别的影响

5.2钢筋混凝土简支梁损伤检测试验

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文及参加的项目

附录

致谢