基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)分析的損傷識(shí)別數(shù)值與試驗(yàn)研究.pdf

1、土木工程結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)長(zhǎng)期受到環(huán)境荷載作用,將不可避免地產(chǎn)生不同程度的損傷,從而埋下了事故的隱患。我們可以利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)兩者之間的映射關(guān)系,通過(guò)分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試信息來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷診斷。這種基于振動(dòng)響應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在土木工程健康檢測(cè)及安全評(píng)估中發(fā)揮著重要的作用,已引起廣泛的關(guān)注。
　　準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)是運(yùn)用基于振動(dòng)響應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。本文首先分析了利用自然激勵(lì)技術(shù)(NExT)和特征

2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的理論基礎(chǔ),提出利用奇異熵增量的導(dǎo)數(shù)來(lái)確定系統(tǒng)的階次,用以解決 ERA模型定階困難這一問(wèn)題。然后,通過(guò)Simulink對(duì)一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明自然激勵(lì)技術(shù)(NExT)和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)可以準(zhǔn)確的識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù),具有較好的抗噪能力。
　　在此基礎(chǔ)上,本文采用靈敏度分析和優(yōu)化算法建立結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與損傷信息的關(guān)系,進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究。主要研究了兩個(gè)方面的問(wèn)題,一方面,

3、本文采用矩陣攝動(dòng)理論,提出了單元損傷的一階和二階靈敏度分析的損傷識(shí)別方法;進(jìn)一步提出了迭代損傷識(shí)別方法,解決了攝動(dòng)法對(duì)大損傷程度識(shí)別精度低的問(wèn)題;同時(shí)探討了定位定量的兩步法,有效的改善了實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)不完備時(shí)的識(shí)別效果。通過(guò)數(shù)值算例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),攝動(dòng)靈敏度方法在保證識(shí)別精度的前提下大大減少了計(jì)算量。另一方面,本文將損傷識(shí)別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問(wèn)題,建立了測(cè)量模態(tài)參數(shù)與理論模態(tài)參數(shù)的誤差目標(biāo)函數(shù),并采用一種隨機(jī)搜索全局優(yōu)化新方法――粒子群優(yōu)化算法

4、(PSO)進(jìn)行損傷識(shí)別;建立了基于柔度靈敏度的傳感器優(yōu)化布置方法,利用有限的傳感器獲得盡可能多的損傷信息;并提出了子結(jié)構(gòu)分布式損傷識(shí)別法,較好地解決了由于識(shí)別參數(shù)太多導(dǎo)致優(yōu)化求解的效率降低的問(wèn)題。通過(guò)算例驗(yàn)證了方法的有效性。
　　最后,對(duì)上述算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用一槽鋼懸臂梁結(jié)構(gòu),在槽鋼上切割缺口模擬損傷。分別對(duì)損傷和未損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,并通過(guò) ERA方法獲取損傷前后的模態(tài)參數(shù),然后進(jìn)行了模型修正,建立了未損傷梁的基準(zhǔn)模型