基于安全因子集的架桥机主梁结构损伤识别研究

摘要

架桥机是一种将预制钢筋混凝土梁段吊装在桥梁支座上的专用施工机械。架桥机一旦发生故障或事故，将会造成人员伤亡和巨大的经济损失，甚至是灾难性的后果。主梁是架桥机最主要的承载部件之一，其结构的安全性尤其重要，因此，对架桥机的主梁进行结构损伤识别具有重要的现实意义。
　　分析了结构损伤的判断过程，构建了安全因子集，从定义、公式和判断依据三个方面对安全因子进行了详细的说明，并用模型梁作为算例，对安全因子的适用性进行了分析，找到了比较适合梁类结构的安全因子。
　　介绍了布谷鸟搜索算法，从动态发现概率、步长和莱维飞行三个方面对其进行了改进，改进后的布谷鸟搜索算法收敛速度非常快，精度较高。并在此基础上提出了适用于高维函数的协同布谷鸟搜索算法。然后把损伤识别问题看作约束优化的数学问题，以固有频率和模态应变能建立目标函数，利用改进后的布谷鸟搜索算法进行损伤识别，并于其它算法进行对比，分析结果表明，改进后的布谷鸟搜索算法能较好的对架桥机主梁进行损伤识别。
　　建立了基于核模糊C-聚类算法和多分辨小波核相关向量机的结构损伤模型，并且以频率变化率、模态应变能和加加速度等安全因子作为输入向量，分别对单损伤和多损伤样本进行无噪声和有噪声两种情况下的损伤识别，仿真结果表明该模型识别精度高、速度快。其次，利用提出的方法对损伤进行了预测分析，分析结果表明该方法有良好的预测能力。
　　利用大型分析软件ANSYS建立架桥机主梁的有限元模型，对其进行网格划分，利用前面提到的安全因子集模拟不同的损伤工况并对他们进行分析，找到适合于架桥机主梁的安全因子，为大型施工机械的安全监测提供理论依据。
　　对架桥机的主梁进行了损伤试验研究，采用矩形梁来模拟架桥机的主梁，分别进行了刚度试验、模态试验和动载试验，试验结果和仿真结果基本吻合。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 架桥机简介

1．2 研究目的和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 基于静态监测数据的结构损伤识别方法

1．3．2 基于动态监测数据的结构损伤识别方法

1．3．3 基于人工智能的损伤识别方法

1．3．4 其它方法

1．4 本论文的主要研究内容

2 安全因子集的构建及其对损伤的适用性分析

2．1 安全因子集的提出

2．1．1 固有频率因子DNF

2．1．2 模态振型因子MMF

2．1．3 模态保证准则因子MAC

2．1．4 动刚度因子DSF

2．1．5 模态应变能因子DSER

2．1．6 结构响应因子DSR

2．1．7 姿态角因子AAF

2．1．8 超载因子OLF

2．1．9 偏载因子PLF

2．2 有限元模型的建立及工况说明

2．3 安全因子集的适用性分析

2．3．1 固有频率因子DNF

2．3．2 模态振型因子MMF

2．3．3 模态保证准则因子MAC

2．3．4 模态应变能因子DSER

2．3．5 结构响应因子DSR

2．3．6 适用性分析小结

2．4 本章结论

3 布谷鸟搜索算法的改进及其在结构损伤识别中的应用研究

3．1 布谷鸟搜索算法(CSA)

3．1．1 布谷鸟产卵行为

3．1．2 莱维飞行

3．1．3 布谷鸟搜索行为

3．2 改进的布谷乌搜索算法(ICSA)

3．2．1 基于云模型的发现概率Pa

3．2．2 步长改进

3．2．3 莱维飞行方法改进

3．2．4 协同布谷鸟搜索算法

3．3 仿真结果与讨论

3．3．1 粒子群优化算法

3．3．2 引力搜索算法(GSA)

3．3．3 测试函数与算法参数设定

3．4 优化算法在结构损伤中的应用研究

3．4．1 评价模型建立

3．4．2 分析结果

3．5 本章小结

4 基于核模糊聚类和多分辨小波核的相关向量机在损伤识别中的应用研究

4．1 引言

4．2 基于布谷鸟搜索算法的核模糊聚类算法

4．2．1 模糊聚类分析

4．2．2 模糊C-均值聚类算法(FCM)

4．2．3 核模糊C-均值聚类算法(KFCM)

4．2．4 基于布谷鸟搜索算法的核模糊C-均值聚类算法

4．2．5 算例验证分析

4．3 多分辨小波核相关向量机

4．3．1 相关向量机回归模型

4．3．2 核函数类型

4．3．3 多分辨小波核

4．3．4 基于多分辨小波核的相关向量机

4．3．5 算例验证分析

4．4 基于核模糊C-聚类和多分辨小波核的相关向量机在损伤识别中的应用

4．4．1 基于核模糊聚类和多分辨小波核相关向量机的架桥机主梁损伤识别模型

4．4．2 数值模拟

4．4．3 损伤识别

4．4．4 含噪声损伤识别

4．4．5 未知损伤预测

4．5 本章小结

5 架桥机主梁的损伤检测试验研究

5．1 试验概况

5．1．1 试件的设计

5．1．2 载重小车模型设计

5．1．3 导轨设计

5．1．4 牵引装置

5．1．5 试验仪器

5．2 试验目的、方法和过程

5．2．1 模型梁抗弯刚度测试

5．2．2 模态试验

5．2．3 动载试验

5．3 试验结果及分析

5．3．1 直接刚度法分析

5．3．2 模态分析

5．3．3 结构响应分析

5．3．4 利用结构响应的最大和最小值判断结构的损伤

5．3．5 协同布谷鸟搜索算法在试验中的应用分析

5．3．6 相关向量机在试验中的应用分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历

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