基于柔度曲率矩陣的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)各種工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果做適當(dāng)?shù)姆治?，從而確定該結(jié)構(gòu)的健康狀況。它所處理的是結(jié)構(gòu)內(nèi)部、肉眼不可見(jiàn)的損傷，檢測(cè)手段通常要求是非破壞性的，而識(shí)別結(jié)果將作為結(jié)構(gòu)安全使用與維護(hù)的重要依據(jù)。各種識(shí)別方法要解決的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是：(1)結(jié)構(gòu)中是否存在損傷；(2)確定結(jié)構(gòu)中損傷的位置；(3)確定損傷的程度或形式。損傷識(shí)別問(wèn)題的提出有著重要的工程背景，其研究涉及航空航天、交通運(yùn)輸及建筑等眾多領(lǐng)域。同時(shí)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別也是

2、力學(xué)和工程中一類典型的反問(wèn)題，其中工程實(shí)際中提出的反問(wèn)題往往是待定多個(gè)未知函數(shù)，即幾類反問(wèn)題可能在一個(gè)實(shí)際問(wèn)題中同時(shí)出現(xiàn)。為了簡(jiǎn)化求解或使求解成為可能，常用的處理方法是把某些待定或不確定的函數(shù)視為已知，先分解難點(diǎn)，再逐步進(jìn)行求解，所以損傷識(shí)別也同時(shí)具有理論意義。
　　 結(jié)構(gòu)損傷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的物理特性如剛度、質(zhì)量、阻尼等產(chǎn)生影響，那么結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)如固有頻率、振型等也會(huì)隨之改變，這些現(xiàn)象被廣泛的應(yīng)用到結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控和檢測(cè)中，所以將結(jié)構(gòu)振

3、動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究得到了眾多研究者的重視。研究表明模態(tài)柔度比固有頻率或振型對(duì)局部損傷更敏感，可以很好地用于識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷。
　　 柔度矩陣可通過(guò)由測(cè)試得到的結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率和模態(tài)振型來(lái)較為精確地構(gòu)造出來(lái)。根據(jù)振動(dòng)理論，對(duì)于多自由度系統(tǒng)，利用柔度矩陣與剛度矩陣的互逆性，可得到柔度矩陣。柔度矩陣元素反比于固有頻率的平方，即低階振動(dòng)的模態(tài)和頻率信息在柔度矩陣中所占的影響成分很大。實(shí)際應(yīng)用中一般只能測(cè)得結(jié)構(gòu)最低的幾階模態(tài)與

4、頻率，以此來(lái)近似得出實(shí)際的柔度矩陣。在利用結(jié)構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行損傷識(shí)別的算法中，有限的低階模態(tài)信息使剛度矩陣的近似誤差較大，而利用柔度矩陣則可避免這一缺點(diǎn)。
　　 提出了基于柔度曲率的板結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的理論，推導(dǎo)了二維結(jié)構(gòu)的柔度曲率公式并基于此公式給出板結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)即柔度曲率矩陣。此理論在判斷板結(jié)構(gòu)中是否存在損傷的同時(shí)即可判斷結(jié)構(gòu)中損傷的位置。之后定義了等效柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線并通過(guò)仿真模擬，回歸了板結(jié)構(gòu)的損傷程度

5、的判別公式。仿真分析表明，該方法可以很好的判斷損傷位置及損傷程度。
　　 基于板結(jié)構(gòu)理論發(fā)展了基于柔度曲率的加筋板結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的理論，先對(duì)加筋板中板結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，然后對(duì)筋進(jìn)行損傷識(shí)別。由損傷結(jié)構(gòu)的柔度曲率矩陣?yán)L出圖像，或者由矩陣的行或列曲率圖，通過(guò)比較就能直接得出損傷位置。通過(guò)數(shù)值仿真給出了另外幾個(gè)不同于原來(lái)的重要的損傷指標(biāo)矩陣，驗(yàn)證并完善了所提出的理論。通過(guò)這些損傷指標(biāo)矩陣可以將加筋板結(jié)構(gòu)的多損傷識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)化為至多兩個(gè)損傷的損

6、傷識(shí)別。
　　 建立了基于柔度曲率的柱殼結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的理論。提出一種基于柔度曲率的柱殼結(jié)構(gòu)的分析方法和判斷準(zhǔn)則，首先得到柔度損傷指標(biāo)矩陣，再對(duì)柱殼結(jié)構(gòu)的軸向、周向分別進(jìn)行柔度曲率分析來(lái)判斷損傷位置。其中在軸向分析中通過(guò)類似于第二章的分析方法得到軸向柔度曲率矩陣；在周向分析中把管狀結(jié)構(gòu)考慮成為一組“圓環(huán)結(jié)構(gòu)”的集合，再借鑒圓曲率的方法，得到了周向的柔度曲率矩陣，通過(guò)軸向或周向的柔度曲率矩陣，就可以對(duì)損傷位置進(jìn)行較好的判斷。在仿真分

7、析中可以看出，無(wú)論位移還是轉(zhuǎn)角的柔度曲率矩陣能夠很好的判斷損傷位置。定義了柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線，并通過(guò)大量的仿真分析回歸了損傷程度公式。在損傷定位的同時(shí)，通過(guò)損傷位置的坐標(biāo)以及柔度曲率變化率就可以進(jìn)行損傷程度的分析。
　　 進(jìn)行了對(duì)邊簡(jiǎn)支和三邊簡(jiǎn)支的損傷鋁板的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到了兩種板結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和固有頻率。其中對(duì)邊簡(jiǎn)支板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SISO模態(tài)實(shí)驗(yàn)與純模態(tài)實(shí)驗(yàn)，三邊簡(jiǎn)支進(jìn)行了SISO模態(tài)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行

8、板結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，進(jìn)而來(lái)驗(yàn)證本文前面所提出的理論方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然不像仿真模擬中的效果明顯，但還是可以較好進(jìn)行損傷識(shí)別，其中用純模態(tài)實(shí)驗(yàn)中得到的模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別結(jié)果較好。
　　 用結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，通常都要用到結(jié)構(gòu)未損傷前的模態(tài)信息。對(duì)于機(jī)械工程、船舶工程、海洋平臺(tái)等大型工程結(jié)構(gòu)，就要在工程結(jié)構(gòu)建好之后，馬上進(jìn)行模態(tài)分析，以備份未損傷的模態(tài)信息，但這就需要大量的人力物力，這是不經(jīng)濟(jì)的，因此，沒(méi)有原始模態(tài)參數(shù)的結(jié)構(gòu)損