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《武汉理工大学》 2005年
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基于模态分析理论和神经网络的桥梁损伤识别方法研究

张治国  
【摘要】:随着我国交通事业的快速发展,特大型桥梁结构不断涌现,新旧桥梁数量日益增多。为确保人民生命财产安全,快速有效地识别出桥梁结构可能发生损伤的部位和损伤程度,及时掌握桥梁运营下的健康状况,是当前桥梁工程研究领域的热点问题之一。 本文在研究国内外大量有关结构损伤识别和神经网络资料的基础上,根据桥梁结构损伤识别与神经网络的发展前景,利用有限元ANSYS及MATLAB程序将振动模态分析理论和BP神经网络相结合应用于桥梁损伤识别中,同时实现对损伤位置与损伤程度的识别,形成一套基于振动模态分析理论和BP神经网络的桥梁损伤识别方法。 首先,本文对基于振动模态分析理论的损伤识别方法进行了探讨。在此过程中分析了该方法的基本原理和过程,较详细地研究了损伤识别的模态频率法、模态振型差法、曲率模态/应变模态法、曲率模态差法、柔度差法和柔度曲率法的基本原理、优劣特性及适用范围。此外,采用悬臂梁模型进行损伤仿真计算,研究和比较了上述各种方法对于单损伤位置和多损伤位置不同情况的识别能力。 在这一部分,提出了梁结构损伤位置识别的柔度曲率法,该法既有高的灵敏度又避免了使用原结构的模态参数,对于没有原始结构模态参数的损伤识别技术显得尤为重要。算法具有计算量小和简便易行的优点,而且仅需要低阶模态信息即可获得很好的识别效果。同时,开展了结构多损伤识别的研究,探讨了曲率模态法和柔度曲率法的结构多损伤识别。 其次,本文对基于BP神经网络的损伤识别方法进行了探讨。在此过程中分析了人工神经网络的基本理论,比较详细地研究了BP神经网络、BP经典算法和经过优化的LM算法以及BP神经网络在MATLAB中的实现,系统地阐述了基于BP神经网络损伤识别的基本原理和过程以及神经网络工具箱函数。在此基础上,以简支矩形截面钢梁损伤识别为例,进行了实例应用研究。 在这一部分,针对BP神经网络固有的收敛速度慢、局部极小等问题,本文对BP神经网络进行了性能优化,应用该优化的BP神经网络经过MATLAB 武汉理工大学硕士学位论文 软件实现对工程上最常见的矩形梁进行了损伤识别,结果令人满意。 最后,根据云阳长江公路大桥设计、施工资料,对该桥进行了有限元建模 与动力分析。考虑了桥梁结构单构件损伤、两个构件损伤、三个构件损伤三类 损伤工况,分别采用了模态频率、位移振型模态、曲率模态三种指标作为神经 网络的输入参数,采集各损伤状态下的样本数据,共建立9个BP神经网络模 型进行了桥梁损伤识别的研究。研究表明基于振动模态分析理论和BP神经网 络的桥梁损伤识别方法可用于识别桥梁结构损伤位置和损伤程度。该方法具有 广阔的应用前景,对于预测评价桥梁结构的健康状况将具有十分重要的意义, 同时,该方法具有简便、快速、无损的优点,具有显著的经济效益和社会效益。 在这一部分的研究中,鉴于用振动模态构造的损伤标识量往往需要求解复 杂的数学反演问题,然而神经网络以其优异的非线性映射能力可以将逆问题正 问题化,因此本文提出将振动模态分析和神经网络技术结合起来,以振动模态 构造的损伤标识量作为神经网络识别输入的特征参数,从而进行结构健康监测。 值得一提的是,为方便统计,并说明识别效果,依据网络实际输出特点,作者 定义了两个名词:“真分量”“伪分量”,并尝试性地对损伤位置识别与损伤程 度识别提出了统一的判断标准,即以损伤位置识别正确率兄、损伤程度识别精 确度刀、总体正确率:、平方和误差E为标准来检验BP神经网络识别的效果。 关键词:损伤识别,模态分析,神经网络,曲率模态,柔度曲率,MATLAB
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:U446

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前7条
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5 田丹丹;高向鹏;陈红霞;;基于曲率模态的连续刚构桥损伤识别研究[J];交通科技;2008年03期
6 阿肯江·托呼提;张长江;严跃成;;基于神经网络的结构损伤诊断的探讨[J];新疆大学学报(自然科学版);2006年03期
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 刘波;黄振芳;王雪莲;;Elman人工神经网络模型在河湖水华短期预测中的应用[A];水生态监测与分析论文集[C];2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李洪琴;基于振动模态分析和BP网络的桥梁损伤识别研究[D];山东科技大学;2010年
2 夏敬婵;基于结构模态参数和SVM的结构损伤识别研究[D];河南理工大学;2010年
3 韩成林;基于损伤累积效应的PC桥梁疲劳性能演化分析[D];武汉理工大学;2011年
4 孙东生;钢管砼拱桥部件权重调整与综合评定方法研究[D];重庆交通大学;2011年
5 于菲;基于时间序列分析与神经网络的结构损伤识别研究[D];青岛理工大学;2010年
6 迟利源;基于模态参数分析的井架结构损伤识别研究[D];大庆石油学院;2006年
7 张长江;基于BP神经网络的平面框架结构的刚度损伤诊断的理论研究[D];新疆大学;2006年
8 张玉峰;大跨度空间网格结构杆件损伤程度识别与节点损伤定位研究[D];天津大学;2006年
9 任丽娜;基于Elman神经网络的中期电力负荷预测模型研究[D];兰州理工大学;2007年
10 刘青峰;神经网络智能诊断系统在混凝土结构中的应用研究[D];湘潭大学;2006年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 淡丹辉,马德云,何广汉;嵌入式智能桥梁结构总体研究(Ⅰ)——技术现状及总体方案规划[J];四川建筑科学研究;2003年02期
3 淡丹辉,何广汉;嵌入式智能桥梁结构总体研究(Ⅱ)——自感知监测及自诊断子系统方案规划[J];四川建筑科学研究;2003年03期
4 王利恒;周锡元;阎维明;;结构损伤检测方法的一些新进展[J];四川建筑科学研究;2005年06期
5 刘荣桂;蒋峰;谢桂华;李成绩;蔡建良;;多管式烟囱钢内筒安装可靠性分析初探[J];四川建筑科学研究;2006年03期
6 刘敏;徐仲春;;考虑徐变效应的结构可靠度研究[J];四川建筑科学研究;2006年05期
7 吴体;肖承波;熊峰;;建筑结构中的振动问题与对策[J];四川建筑科学研究;2006年06期
8 王倩;蒋林华;张京丰;徐海群;;模糊神经网络在粉煤灰混凝土强度预测中的应用[J];四川建筑科学研究;2006年06期
9 张华智;冯毅芳;;利用小波分析方法识别结构模态参数[J];四川建筑科学研究;2007年06期
10 周俐俐;沈鹃;;基于曲率模态和柔度曲率的变截面钢梁多损伤静态识别[J];四川建筑科学研究;2008年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谢永;蔡国平;刘松;;基于输入和输出数据的柔性板的时域空间建模与主动控制研究[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年
2 朱天答;;某型皮卡排气管断裂及改进CAE分析[A];经济策论(下)[C];2011年
3 朱天答;;某型皮卡排气管断裂及改进CAE分析[A];第八届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集(下)[C];2011年
4 张娟;陈杰;段梅;;基于神经网络和广义经典分配算法的多传感器航迹关联[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 隋金雪;杨莉;华臻;张鑫;;改进的BP网络在火焰燃烧状态识别中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 张明星;柳亦兵;辛卫东;;基于时域方法的核电站沸水反应堆试验模态参数识别[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 刘昱;王涛;弭艳;肖辉衡;高岩;;基于应变式力传感器的桥梁无线动态测试系统的研究[A];中国仪器仪表学会第十三届青年学术会议论文集[C];2011年
8 张安平;陈国平;;基础平稳随机激励下基于有限测点响应的结构动态响应计算[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
9 牟在根;张举兵;陈云周;;结构优化设计的遗传算法研究[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ卷[C];2002年
10 袁旭东;周晶;;一种基于神经网络结构损伤识别组合参数法研究[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张春玉;预应力空间网格结构优化理论及可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 冯麟涵;舰船系统抗冲击性能全局优化方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 李华文;船舶交通管理系统经济社会影响评价研究[D];大连海事大学;2010年
4 张进;地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究[D];中国海洋大学;2009年
5 包兴先;基于模型定阶和信号消噪的海洋平台结构模态参数识别研究[D];中国海洋大学;2010年
6 张敏;固定式海洋结构模型转换与动力特性研究[D];中国海洋大学;2010年
7 汪木兰;神经网络硬化实现的共性技术在电力传动中应用研究[D];合肥工业大学;2010年
8 朱松;随机回归神经网络的动力学行为研究[D];华中科技大学;2010年
9 雷金;洛仑兹平面电机的结构动态特性研究[D];华中科技大学;2010年
10 刘强;基于复杂系统的铁路客流预测方法研究[D];中国铁道科学研究院;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李连昌;新安煤田二_1煤层煤与瓦斯突出危险程度预测[D];河南理工大学;2010年
2 代宏伟;布里渊散射水下探测目标的自动识别[D];南昌航空大学;2010年
3 符俊杰;敷设粘弹阻尼的矿用溜槽振动特性研究[D];山东科技大学;2010年
4 李洪琴;基于振动模态分析和BP网络的桥梁损伤识别研究[D];山东科技大学;2010年
5 滕景忠;智能瓦斯传感器的研制[D];山东科技大学;2010年
6 李安新;BP神经网络研究与硬件实现[D];山东科技大学;2010年
7 陈少华;基于Hopfield神经网络控制系统的研究[D];山东科技大学;2010年
8 吴家瑞;服装产品加工成本快速估算方法研究[D];浙江理工大学;2010年
9 易明;地震作用下渡槽结构的动力可靠度分析[D];郑州大学;2010年
10 赵乐乐;在役桥梁结构健康诊断与寿命预测技术研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈建兵;矩阵迭代法求矩阵特征值与特征向量初始向量选取的讨论[J];四川建筑科学研究;1999年03期
2 吴大宏,赵人达;基于遗传算法与神经网络的桥梁结构健康监测系统研究初探[J];四川建筑科学研究;2002年03期
3 任剑;赵人达;毛学明;;公路桥梁疲劳荷载谱初探[J];四川建筑科学研究;2007年01期
4 李柳生;蔡晶;;基于不完整频响函数的结构损伤识别方法[J];四川建筑科学研究;2011年05期
5 闫维明;王卓;何浩祥;;空间结构模态局部化和跃迁现象及分析[J];北京工业大学学报;2009年12期
6 李学平;用层次分析法求指标权重的标度方法的探讨[J];北京邮电大学学报(社会科学版);2001年01期
7 尚高峰;嵇春艳;张强;陈明璐;;基于模态曲率法的海洋平台结构损伤识别与定位研究[J];船舶力学;2010年05期
8 邓波;李健;孙涛;张金生;王惠东;;基于神经网络的话务量预测[J];成都信息工程学院学报;2008年05期
9 周智,欧进萍;土木工程智能健康监测与诊断系统[J];传感器技术;2001年11期
10 王家林,肖盛燮,吴国松,曾德荣;桥梁结构实时响应在线监测的简化分析方法[J];重庆交通学院学报;1999年04期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 方圣恩;基于有限元模型修正的结构损伤识别方法研究[D];中南大学;2010年
2 冯新;土木工程中结构识别方法的研究[D];大连理工大学;2002年
3 周太全;桥梁构件局部热点应力分析及其疲劳损伤累积过程模拟[D];东南大学;2003年
4 王茂龙;结构损伤识别与模型更新方法研究[D];东南大学;2003年
5 郭健;基于小波分析的结构损伤识别方法研究[D];浙江大学;2004年
6 吴大宏;基于遗传算法与神经网络的桥梁结构健康监测系统研究[D];西南交通大学;2003年
7 唐小兵;结构损伤识别及数值模拟[D];武汉理工大学;2004年
8 张开鹏;结构损伤识别方法研究[D];武汉理工大学;2004年
9 何旭辉;南京长江大桥结构健康监测及其关键技术研究[D];中南大学;2004年
10 杨奎河;短期电力负荷的智能化预测方法研究[D];西安电子科技大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 付朋涛;基于ANSYS的大型桥梁有限元分析及损伤识别研究[D];长安大学;2011年
2 于菲;基于时间序列分析与神经网络的结构损伤识别研究[D];青岛理工大学;2010年
3 仲伟秋;振动测试技术在结构鉴定中的应用研究[D];大连理工大学;2000年
4 陈建林;神经网络技术在结构损伤识别中的应用研究[D];大连理工大学;2001年
5 严太山;神经网络BP算法研究及其在工业检测中的应用[D];广西师范大学;2001年
6 魏庆晨;已有建筑结构可靠性鉴定的新方法研究[D];广西大学;2002年
7 杜思义;桥梁结构损伤识别的应变模态方法研究[D];郑州大学;2002年
8 付军;基于模态分析的平面框架裂纹识别[D];武汉理工大学;2002年
9 李俊萍;工程结构损伤识别技术研究[D];华北工学院;2002年
10 肖调生;基于模态参数的工程结构损伤识别方法的研究[D];湖南大学;2002年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 殷志祥;徐文杰;毛丽强;;曲率模态小波法用于网壳结构损伤的识别和定位[J];地震工程与工程振动;2009年04期
2 宋子收;周奎;李胡生;葛继平;;基于曲率模态和小波系数差的损伤识别[J];公路交通科技;2010年11期
3 葛继平;李胡生;;平均曲率模态法识别桥梁损伤可行性试验研究[J];中外公路;2010年05期
4 李红娟;王建军;王华;孟华;;基于HP-Elman-LSSVM模型钢铁企业自备电厂煤气供入量预测及优化调度[J];钢铁;2013年08期
5 王晓峰;陈焕明;;弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划[J];焊接技术;2008年06期
6 党小超;郝占军;;基于改进Elman神经网络的网络流量预测[J];计算机应用;2010年10期
7 赵晓燕;;基于应变模态的刚构桥损伤诊断分析[J];科技信息;2011年19期
8 张超;常太华;刘欢;胡阳;;基于改进Elman神经网络的风速预测[J];华东电力;2012年08期
9 李红娟;王建军;王华;孟华;;基于HP(2)-Elman模型的钢铁企业富余煤气预测及优化调度[J];钢铁研究学报;2013年07期
10 李界家;孙璐璐;王奔;王喆鑫;;基于Elman神经网络阳极效应故障预报方法[J];沈阳建筑大学学报(自然科学版);2010年05期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 刘蕾蕾;;基于曲率模态分析的梁桥损伤识别研究[A];全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集[C];2008年
2 殷志祥;徐文杰;;基于曲率模态和小波方法的网格结构损伤定位研究[A];庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2008年
3 宋子收;周奎;李胡生;;基于曲率模态和小波系数差的损伤识别研究[A];2010振动与噪声测试峰会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李学平;裂缝损伤结构动力分析及其识别方法研究[D];中南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 孙婧雅;基于改进的灰关联分析理论与Elman神经网络的变压器故障诊断研究[D];昆明理工大学;2009年
2 朱存;油浸式电力变压器智能故障诊断研究[D];昆明理工大学;2010年
3 郑振华;输电线路覆冰厚度智能识别软件开发[D];太原理工大学;2011年
4 贺电;大型风电场短期功率预测研究[D];北京交通大学;2011年
5 佟显能;基于信息融合的结构损伤识别研究[D];青岛理工大学;2010年
6 徐洪雷;移动荷载作用下桥梁结构的损伤识别[D];河北大学;2011年
7 于菲;基于时间序列分析与神经网络的结构损伤识别研究[D];青岛理工大学;2010年
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9 石春源;基于Elman神经网络锂电池劣化程度的预测研究[D];哈尔滨理工大学;2011年
10 高广华;基于EMD的时频分析方法在机车轴承故障诊断中的应用研究[D];中南大学;2007年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 万建国,石立华,朱纪军,陶宝琪;PVDF压电薄膜在结构监测中的应用初探[J];传感技术学报;1998年01期
2 周建廷,王世槐;关于我国现行《公桥规》桥梁裂缝宽度计算及限制模式的可靠度分析[J];重庆交通学院学报;1997年01期
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4 高赞明,孙宗光,倪一清;基于振动方法的汲水门大桥损伤检测研究[J];地震工程与工程振动;2001年S1期
5 曾昭君;何戊;陈康宁;史维祥;;大型复杂机械系统性能监测和故障诊断[J];电子机械工程;1993年03期
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7 李戈,秦权,董聪;用遗传算法选择悬索桥监测系统中传感器的最优布点[J];工程力学;2000年01期
8 秦权;随机有限元及其进展──Ⅰ.随机场的离散和反应矩的计算[J];工程力学;1994年04期
9 秦权;随机有限元及其进展──Ⅱ.可靠度随机有限元和随机有限元的应用[J];工程力学;1995年01期
10 王柏生,丁皓江;用于结构损伤识别的神经网络设计[J];工程设计;1999年03期
【相似文献】
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1 成子桥,李清富,刘建民;混凝土桥梁损伤的神经网络评估[J];公路;2005年04期
2 赵金侠;谢建和;;基于曲率模态的桥梁损伤定位研究[J];广东建材;2006年08期
3 廖锦翔,袁明武,张劲泉;桥梁损伤自动检测理论初探[J];公路交通科技;2005年04期
4 李佳;;浅析车桥耦合下的桥梁动力反应[J];北方交通;2009年04期
5 刘文忠;;浅谈桥梁的全面检测技术[J];中小企业管理与科技(上旬刊);2008年12期
6 王勇;;基于DE-BP神经网络的桥梁损伤评估[J];公路交通科技(应用技术版);2009年10期
7 杨珊珊;;基于恒载的桥梁及梁损伤识别探讨[J];科技致富向导;2011年23期
8 李大军,霍达,韩强;桥梁损伤的移动质量多次测量检测法[J];华南理工大学学报(自然科学版);2005年04期
9 胡利平;动态法桥梁损伤检测与识别技术面临的挑战[J];无损检测;2005年05期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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5 郑凯锋;唐继舜;;实用专家系统和数据库系统若干智能行为的技术研究[A];土木工程计算机应用文集——中国土木工程学会计算机应用学会第五届年会论文集[C];1993年
6 李惠彬;郑兆昌;应怀樵;;对国内外桥梁损伤诊断几种方法的评述[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ卷)[C];1998年
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中国重要报纸全文数据库 前2条
1 朱振宇;新一代桥梁损伤非接触检测系统研制成功[N];中国交通报;2010年
2 李亚彪 冯源;跨海大桥延期通车的是与非 进度 PK安全[N];中国社会报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 安宁;基于列车—桥梁耦合振动响应的桥梁损伤识别方法研究[D];北京交通大学;2013年
2 唐亚鸣;战时桥梁损伤监测及其系统设计[D];南京理工大学;2004年
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4 孙砚飞;基于光纤光栅传感的桥梁损伤识别与评估系统研究[D];武汉理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘建民;公路混凝土桥梁损伤评估技术研究[D];郑州大学;2003年
2 张治国;基于模态分析理论和神经网络的桥梁损伤识别方法研究[D];武汉理工大学;2005年
3 游翔;基于动力特性变化的桥梁损伤定位方法[D];西南交通大学;2006年
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5 孙家升;基于应变模态技术的桥梁损伤识别[D];西南交通大学;2008年
6 秦鸿;三峡库区既有拱桥病害调查与评定研究[D];重庆交通大学;2007年
7 曾小刚;桥梁损伤及加固策略研究[D];重庆交通学院;2004年
8 王凯;基于时间序列分析的桥梁损伤预警研究[D];长安大学;2008年
9 王建江;基于贝叶斯统计方法的桥梁损伤识别研究[D];浙江大学;2005年
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