基于跨模型模态应变能变化的结构损伤识别两阶段法

为提高结构损伤识别精度,采用跨模型模态应变能变化(Cross-model Modal Strain Energy Changes,CMSEC)代替传统的模态应变能变化(Modal Strain Energy Changes, MSEC)建立先定位后定量的结构损伤识别两阶段法.与传统模态应变能(Modal Strain Energy, MSE)计算时仅利用结构损伤后的振型不同,跨模型模态应变能(CMSE)的计算同时利用结构损伤前后的振型.先利用CMSEC构建CMSECI (Cross-model Modal Strain Energy Index)损伤指标来确定损伤位置,筛选出疑似损伤构件后,再利用CMSEC建立定量识别损伤程度的灵敏度方程.采用基于奇异值截断的迭代法求解该方程,以避免迭代过程中可能出现的病态方程问题.根据公式构成可以定性判断CMSEC比MSEC更难被噪声干扰.某简支梁算例表明,本文方法在损伤定位和损伤定量两个阶段均比传统方法具有更高的识别精度.为了深入考察本文方法的优越性,采用蒙特卡洛法从宏观的相对误差上界和具体的相对误差分布这两个视角解释了本文方法优于传统方法的原因.

结构多损伤状况检测的灵敏度分析

基于矩阵摄动理论中特征值的挠动分析,针对结构损伤检测问题,利用结构的原始模态信息和损伤前后频率变化率对结构的损伤进行了综合评估分析,提出了可用于检测结构内可能出现的多损伤情况的灵敏度分析方法.数值算例分析表明:该方法分析结果准确、可靠,尤其对于结构中潜在的微损伤、多损伤,具有较高的准确性.

基于损伤可识别性的传感器优化布置方法

为了满足结构健康监测和损伤识别的要求,提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置方法.考虑损伤导致的结构响应变化,由结构运动方程推导出了结构响应与振型和损伤灵敏度之间的解析关系式.根据Fisher信息熵原理,建立了同时包含模态独立性信息和损伤灵敏度信息的目标函数.利用奇异值分解技术,发展了以Fisher信息矩阵最大和条件数最小为准则的迭代算法.算例分析表明,所提方法有效地克服了基于模态可观测性和基于损伤可识别性的传感器优化布置结果存在的差异,利用其优化结果进行的损伤识别比单一目标的结果具有更高的精度.

航空结构中Lamb波小损伤监测能力研究

针对航空结构中的Lamb波小损伤监测能力,首先从损伤灵敏度和信号幅值两个方面进行了理论分析,然后基于ABAQUS软件开展了大面积铝板结构中压电-Lamb波的三维传播仿真,分别研究了各频率下Lamb波A0模式和S0模式对板中孔洞和裂纹小损伤的监测能力,最后实施了孔洞小损伤成像验证试验。研究结果表明,相比于低频(50~200kHz)的A0模式,3mm厚铝板结构中频率较高(300~500kHz)的S0模式具有更强的小损伤监测能力,可在类似航空铝板结构的Lamb波小损伤监测中优先选择使用。

结构损伤识别的二次反馈岭估计法

为了克服灵敏度方程的病态最小二乘问题,提出一种基于模态柔度变化的结构损伤识别二次反馈岭估计法。采用模态特征值和振型来组集模态柔度矩阵,建立由模态柔度变化求解单元损伤系数的损伤识别线性方程组。在损伤定位阶段,先分别利用非负最小二乘法和反馈岭估计法来初步评估损伤位置。由于这两种方法的损伤定位结果常受到不同未损单元的干扰,所以通过对它们的计算结果取交集来综合确定疑似损伤单元。在损伤定量阶段,将正则化矩阵中对应疑似损伤单元的对角元素缩小,同时将对应其余单元的对角元素放大,进行二次反馈岭估计以最终完成损伤定量识别。某简支梁数值分析表明,相比非负最小二乘法和反馈岭估计法,所提方法具有更强的抗噪鲁棒性。无论是损伤定位还是损伤定量,均具有更加可靠的识别精度。

软基水闸底板脱空反演中的传感器优化布置方法

为更好地使软基水闸底板脱空检测传感器系统达到监测成本和监测性能指标之间的最佳平衡,同时为解决传统的有效独立法和损伤灵敏度法不能兼顾模态线性独立和损伤敏感性的问题,提出了一种结合有效独立法和损伤灵敏度法的多目标传感器优化布置方法。为解决模态数据冗余问题引入节点相似度函数,从动力学上探究水闸底板脱空对模态参数的影响,认为模态柔度为软基水闸底板脱空敏感特征量。以Fisher信息矩阵2-范数最大为目标,采用MAC矩阵非对角元最大值为评价指标,实现测点优化布置,并将测点优化结果应用于水闸底板脱空反演。结果表明:传感器优化布置后的水闸底板脱空参数识别值相对误差的平均值分别从28.3%、15.8%、39.3%降低至1%、1.9%、15.9%,验证了该方法的可靠性。

结构多位置裂缝识别的有限元方法

由振动系统动力方程的有限元表达形式,推导出结构损伤和模态参数间的联系,建立基于有限元的结构多位置裂缝的识别方法.本方法通过损伤灵敏度矩阵,识别结构裂缝所在的单元位置并确定裂缝的深度,计算简便.作者通过数值计算,验证了此方法的有效性.从算例结果可以看出,将结构单元适当细分,可以提高裂缝识别的精度.

两向正交正放网架结构传感器布置研究

为了找到两向正交正放网架结构传感器的布置方法,针对模态可观测性与损伤可识别性传感器布置结果不一致的特点,由结构运动方程出发,考虑结构响应与振型和损伤灵敏度之间的关系,根据Fisher信息熵原理,建立同时包含模态振型和损伤灵敏度信息的Fisher信息矩阵,确立以Fisher信息矩阵2-范数最大化为准则的目标优化算法,构建了目标函数NC值,在完好、单损伤和多损伤情况下,通过该方法获得该结构的传感器布置方案。