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结构损伤识别方法与传感器优化布置研究

徐典  
【摘要】:对结构进行及时、准确的健康监测和损伤检测可以有效防止灾害的发生,同时尽早地发现结构损伤并采取有效措施可以最大幅度的降低结构维护费用。因此,结构健康监测和损伤检测日益成为土木工程领域的研究热点。 结构损伤检测常用的方法分动态法、静态法和动静结合法。每种方法都有其自身的优点与缺点,吸引了国内外学者的很大关注,并这方面做了大量的研究工作,取得了一定的成果。结构动态振动信息量的获取与传感器的优化布置密切相关。本文在对结构损伤识别的柔度矩阵法、动静结合法、基于灵敏度的损伤识别技术以及传感器的优化布置进行了研究,具体内容如下: ①为了提高柔度法应用于结构损伤识别的范围和准确性,在柔度法的理论基础上进行了改进,提出了一种柔度曲率矩阵差的损伤识别新指标。通过简支梁和连续梁的算例对这种识别指标的有效性进行了验证,同时采用了另外三种识别指标进行了对比。结果表明:在单处损伤和多处损伤的情况下,使用该指标仅需前一阶模态数据就能对文中梁结构进行准确的损伤定位,并对结构轻微的损伤进行了准确识别。同时与文中所提的另外三种损伤指标相比,新指标具有明显的优势,更具广泛性和准确性。 ②针对近年来国内外学者对柔度法的研究局限于对结构损伤的定位,而对使用柔度法进行损伤程度的研究很少。本文在第二章的基础上,提出了结构在完好状态下的完好柔度曲率曲线这一概念,并用最小二乘法拟合构建该曲线。在此基础之上,进一步对结构损伤的程度进行了研究,通过损伤有效面积的大小来判断结构损伤程度。最后通过简支梁的一处和二处损伤对该方法进行了数值验证,为结构损伤程度的研究提供了一条新研究途径。 ③与位移模态相比较应变模态对结构局部损伤的识别精度更高,在动态一阶应变差和静态模式匹配法的基础之上,提出了动静结合的新识别指标。新指标保留了动态法和静态法的优点,能够在一定程度上过滤掉非损伤单元的干扰,较单独使用动态指标和静态指标更准确、更具优势。针对一桁架结构的单处损伤和多处损伤进行了数值模拟,并分别使用动态、静态和动静结合的三种指标进行损伤识别效果的比较,验证了新指标更具优越性。针对算例中不同类型的构件同时发生损伤时,应变差较小的构件不易识别的不足,提出了二次识别或多次识别的解决方法。 ④在静态与动态结构损伤识别方法的基础上,提出了另一种动静相结合的识别方法,该方法既能对结构损伤进行定位,也能进行损伤程度估计。静态法和动态法分别依据结构损伤前后的位移差和模态力向量变化量来构建平衡方程,并采用Moore-Penrose广义逆法求解出结构损伤系数。动静结合法则利用了更多结构动、静态信息,将两种方法结合起来。以一四层剪切型钢框架模型为例,通过实验分别测得各工况下结构的动态模态参数和静态层间位移差,并使用本文中提到的三种方法进行结构损伤识别,识别结果表明动静结合法比静态法、动态法能更好的对结构损伤进行定位和损伤程度估计。 ⑤推导了模态参数对于损伤构件的一阶和二阶灵敏度矩阵,并对在推导一阶和二阶振型灵敏度的过程中产生的模态截尾误差进行了改进。根据泰勒级数展开的原理分别建立了一阶和二阶的灵敏度方程。考虑到一阶灵敏度方程求解速度快和二阶灵敏度方程求解精度高的特点,本文提出了一种用于结构损伤识别的混合迭代算法,该算法用二阶非线性的解析解作为算法的第一次迭代值,用一阶灵敏度方程的求解值对该算法的第一次迭代值进行关于泰勒级数截尾误差的修正。并通过桁架结构算例表明:本文提出的混合迭代算法由于采用了精确度较高的二阶非线性解析解作为迭代修正的初值,迭代修正精度更高,收敛性更好。 ⑥对有效独立法进行了改进,考虑了能量因素,引进单位刚度的模态变形能用于加权有效独立分配矩阵,以一平面桁架为算例,分别采用有效独立法、运动能量法和改进有效独立法进行传感器布置,并通过三种传感器优化布置准则对它们的优化结果进行比较和评价,结果表明改进后的有效独立法布点更优,能够更多的反映出结构原特性。


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