不完全測量條件下基于參數(shù)識別的結(jié)構(gòu)損傷診斷研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法可以按頻域方法和時(shí)域方法分為兩大類。一般來說，基于頻域方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中所需的傳感器數(shù)量會比較少，但只能對整個(gè)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷進(jìn)行評估，而無法對單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，更無法確定結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置。而基于時(shí)域方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中所需的傳感器數(shù)量則一般會比較多，但是卻可以對結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，并準(zhǔn)確地判斷出結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置。由于傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的問題，在過去的研究中，大多數(shù)學(xué)者都傾向

2、于研發(fā)基于頻域方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。近年來，隨著傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，基于時(shí)域方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開始逐漸成為研究的熱點(diǎn)。此外，按是否需要測量激勵(lì)信息來區(qū)分，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法又可分為需要測量激勵(lì)信息的方法和不需要測量激勵(lì)信息的方法。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)所承受的激勵(lì)載荷通常都是無法測量的，因此很明顯不需要測量激勵(lì)信息的方法比需要測量激勵(lì)信息的方法更具實(shí)用性。
　　本文的研究目的旨在開發(fā)一套實(shí)用的能夠在單元層次上識別出結(jié)構(gòu)中損傷

3、的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法，所以本文主要關(guān)注的方法是基于時(shí)域的不需要測量激勵(lì)信息的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。自適應(yīng)卡爾曼濾波，自適應(yīng)序貫非線性最小二乘，自適應(yīng)二次乘方和誤差三種方法均與本文研究目標(biāo)相吻合?；谶@三種方法，本文對懸臂梁結(jié)構(gòu)和空間桁架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對比分析了三種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，由于這三種方法在以往文獻(xiàn)中只在剪切型結(jié)構(gòu)中實(shí)際應(yīng)用過，為了將這三種方法實(shí)際用于實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)，本文引入了模型縮聚理論和子結(jié)構(gòu)理論。本文的主要研究內(nèi)容可

4、以總結(jié)為以下幾方面:
　　(1)本文對固定損傷的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究中在懸臂梁上開鑿了不同半徑和個(gè)數(shù)的圓孔以模擬不同程度的損傷。為了識別出懸臂梁中損傷發(fā)生的位置和大小，我們使用有限單元法對懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將其分為6個(gè)單元。考慮梁模型為歐拉梁，則其有限元模型共有6個(gè)豎向自由度和6個(gè)角向自由度，需要測量的響應(yīng)為6個(gè)豎向加速度響應(yīng)和6個(gè)角向加速度響應(yīng)。然而，常用的加速度傳感器均為豎向的加速度傳感器，其無法測量懸臂梁各節(jié)點(diǎn)的

5、角向加速度響應(yīng)。為了解決這一問題，本文使用了模型縮聚法對懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型縮聚，將其角向自由度均視為從自由度縮聚掉。隨后，為了進(jìn)一步減少傳感器的數(shù)量，我們繼續(xù)將懸臂梁結(jié)構(gòu)縮減到三個(gè)自由度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使僅使用三個(gè)傳感器，依舊可以識別出懸臂梁結(jié)構(gòu)中損傷發(fā)生的位置和大小。
　　(2)本文又對另一懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以研究文中所提方法的在線追蹤能力。研究中在懸臂梁上安裝了一個(gè)剛度元件系統(tǒng)以在實(shí)驗(yàn)過程中改變懸臂梁單元的剛度。同樣

6、，使用有限單元法對懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將其分為6個(gè)單元。使用模型縮聚法對其有限元模型進(jìn)行縮聚，將其角向自由度均視為從自由度縮聚掉。隨后，為了進(jìn)一步減少傳感器的數(shù)量，我們繼續(xù)將懸臂梁結(jié)構(gòu)縮減到三個(gè)自由度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，即使僅使用三個(gè)傳感器，我們依舊可以識別出懸臂梁結(jié)構(gòu)中損傷發(fā)生的位置和大小，并且能夠及時(shí)地追蹤懸臂梁單元剛度的變化情況，從而確定損傷發(fā)生的時(shí)刻和過程。
　　(3)本文對空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。由于該空間桁架結(jié)構(gòu)的有

7、限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，所以要同時(shí)測量其所有節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。為此，我們引入了子結(jié)構(gòu)法，對該桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三步識別，并最終識別出整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)各單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。同樣，模型縮聚原理也被應(yīng)用于該桁架結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步減少傳感器的數(shù)量。研究結(jié)果表明，僅使用12個(gè)傳感器，我們就能識別出整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)所有單元的單元參數(shù)。而若按照文獻(xiàn)中方法，該空間桁架結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)中需要安裝72個(gè)傳感器。
　　(4)本文對自適應(yīng)卡爾曼濾波，自適應(yīng)序貫非線性

8、最小二乘，自適應(yīng)二次乘方和誤差三種方法進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明，三種方法均能準(zhǔn)確地識別出結(jié)構(gòu)各單元的剛度，并有效地追蹤結(jié)構(gòu)各單元的剛度變化。但是，自適應(yīng)卡爾曼濾波法對識別初值要求較高，識別過程中計(jì)算量較大，且其在結(jié)構(gòu)損傷識別方面的的精確性、收斂性、和效率性方面略遜于其他兩種方法。而自適應(yīng)序貫非線性最小二乘法中由于引入了Newmark-β法，所以對采樣頻率要求較高，其在采樣頻率較低時(shí)，可能會出現(xiàn)收斂速度較慢的情況。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，只