基于位移响应协方差参数变化比和模式匹配的梁结构损伤识别方法研究
发布时间：2020-12-26 03:11
使用结构位移响应参数进行结构损伤识别,首先推导和建立了位移响应协方差参数的解析公式,它是结构频率、振型和阻尼等模态参数的函数。通过理论推导发现,在一定损伤程度范围内,位移响应协方差参数变化比值只与损伤位置有关,受损伤程度的影响较小。结合模式匹配法,使用模态置信准则得到各种可能损伤状态下的置信准则值,找出变化比向量最匹配(置信准则值最大时所对应的损伤状态),即为识别出来的损伤。本文对一个三跨连续梁进行数值模拟来验证该方法的有效性。通过算例发现:与损伤单元有关的位移响应协方差参数变化比值最大,相同损伤位置、不同损伤程度时,变化比向量之间具有大于0.99的置信准则值;而不同损伤位置、相同损伤程度的变化比向量之间的置信准则值则较低。最后进行了损伤工况研究,成功识别出了损伤位置,表明该方法是有效的。对于实际工程结构,可以通过位移响应(或加速度积分得到位移)协方差参数变化比值的连续监测来预警结构损伤的发生。本文提出的方法无需结构模型,计算简便,具有较好的工程应用性。
【文章来源】：应用力学学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
三跨连续梁Fig.1Three-spancontinuousbeam
?硎腔?谀Ｌ?眯抛荚?(MAC)，公式为T2TT()MAC()()iiiiVVVVVV(16)式中T()为向量转置。假定结构有ne个单元，那么将会有ne个MAC值，即12[MAC,MAC,,MAC]ne，最大的MAC值所对应的单元即为损伤单元。5三跨连续梁结构数值模拟对如图1所示的三跨简支连续钢梁进行数值模拟。结构参数和约束情况如下：梁截面面积22A1.2510m，弹性模量E=0.2GPa，材料密度3=7827kgm，截面惯性矩I2.604102m4。结构的有限元建模如图2所示，将三跨连续梁划分为62个杆单元和63个节点，每个单元长均为50cm，每个节点有2个自由度，即一个竖向和一个转动向的自由度，共126个自由度，节点和单元的排列次序为从左至右。四个竖向处的约束都用刚度矩阵中对应自由度处加大刚度91.010来等效代替。在结构第26个节点处施加一个竖直方向的三角激励。假定有12,,,nlll处的n个“测点”位移响应需要模拟计算，采用Newmark数值算法计算结构在给定荷载下的位移响应，采样频率为2000Hz，共计算2s的响应数据，每个“测点”得到4000个数据，然后利用公式(4)得到CoD，最终得到结构未损伤状态时各测点的CoD向量12[,,,]nlCCC，并对该向量进行欧拉范数归一化处理，即12122[,,,][,,,]nnllCCCCCC，以消除激励大小的影响。图1三跨连续梁Fig.1Three-spancontinuousbeam图2三跨连续梁有限元模型(单位：cm)Fig.2Finiteelementmodelofthree-spancontinuousbeam(unit：cm)为了模拟计算结构损伤后的振动参数，引入一个简单的损伤模型，结构中的局
1788应用力学学报第37卷点上安置一个传感器，那么总共有63个测点，可得到各单元的CoD，把结构损伤后的CoD向量减去未损伤状态时的CoD向量，可以得到CoD的改变向量1262[C,C,,C]，进一步计算得到变化比向量如下。236234626211122261[,,,,,,,,,]CCCCCCCCCCCCCCV(18)该向量中总共有(161)6118912个分量，如图3所示。图3第30单元刚度减少20%时CoD变化比分布Fig.3ThedistributionofCoDchangeratioswith20%stiffnessreductionof30thelement从图3中可以看到第869个分量的比值最大，对应3017CC，说明最大的变化比值跟损伤位置有关。再模拟第48单元有20%的刚度减少，进行同上的计算，得到图4所示的CoD变化比向量，最大变化比值出现在第281和337个分量，它们分别对应485CC和486CC，都与损伤单元有关。图4第48单元刚度减少20%时CoD变化比分布Fig.4ThedistributionofCoDchangeratioswith20%stiffnessreductionof48thelement5.2相同损伤位置、不同损伤程度时的CoD变化比向量假定第10单元发生损伤，单元刚度首先减少5%，然后以5%的速度递增直到减少50%，共10个不同损伤状态。计算各个状态各测点的位移响应，根据式(4)计算各测点的CoD值，再减去未损伤时对应测点的CoD值，得到CoD变化值以及每个损伤状态下的CoD变化比向量，共计10个损伤向量1V,,10V，上标表示结构的损伤状态；然后计算这10个CoD变化比向量相互之间的MAC值，即T2TT()MAC()()ijijiijjVVVVVV，得到共计1
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进粒子群优化粒子滤波的结构损伤识别[J]. 李磊,张纯,宋固全. 应用力学学报. 2018(05)
[2]基于连续抗弯刚度模型的裂纹梁动力指纹损伤识别[J]. 马爱敏,张治君,李群. 应用力学学报. 2019(01)
[3]呼吸裂缝梁基于奇异谱熵的损伤识别方法研究[J]. 任宜春,陈义龙. 应用力学学报. 2019(01)
[4]考虑数据不确定性的结构损伤识别Bootstrap-BCa法[J]. 骆勇鹏,黄方林,鲁四平,伍彦斌. 应用力学学报. 2017(03)
[5]基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究[J]. 李雪艳,张惠民. 力学学报. 2017(05)
[6]基于改进蜂群算法的结构损伤识别[J]. 丁政豪,刘济科,吕中荣. 应用力学学报. 2017(01)
[7]基于加速度二次协方差矩阵参数变化比法的环境振动下结构损伤识别[J]. 王立新,李雪艳,姜慧,朱嘉健. 振动与冲击. 2016(08)
[8]环境激励下结构模态参数识别方法综述[J]. 刘宇飞,辛克贵,樊健生,崔定宇. 工程力学. 2014(04)
[9]频率变化平方比向量确定结构损伤位置[J]. 董五安,杨世浩. 噪声与振动控制. 2013(03)
[10]基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进展[J]. 王术新,姜哲. 振动与冲击. 2004(04)
博士论文
[1]土木工程结构模态参数识别[D]. 禹丹江.福州大学 2006
[2]基于振动的桥梁结构损伤识别方法研究[D]. 谢峻.华南理工大学 2003
本文编号：2938918
【文章来源】：应用力学学报. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
三跨连续梁Fig.1Three-spancontinuousbeam
?硎腔?谀Ｌ?眯抛荚?(MAC)，公式为T2TT()MAC()()iiiiVVVVVV(16)式中T()为向量转置。假定结构有ne个单元，那么将会有ne个MAC值，即12[MAC,MAC,,MAC]ne，最大的MAC值所对应的单元即为损伤单元。5三跨连续梁结构数值模拟对如图1所示的三跨简支连续钢梁进行数值模拟。结构参数和约束情况如下：梁截面面积22A1.2510m，弹性模量E=0.2GPa，材料密度3=7827kgm，截面惯性矩I2.604102m4。结构的有限元建模如图2所示，将三跨连续梁划分为62个杆单元和63个节点，每个单元长均为50cm，每个节点有2个自由度，即一个竖向和一个转动向的自由度，共126个自由度，节点和单元的排列次序为从左至右。四个竖向处的约束都用刚度矩阵中对应自由度处加大刚度91.010来等效代替。在结构第26个节点处施加一个竖直方向的三角激励。假定有12,,,nlll处的n个“测点”位移响应需要模拟计算，采用Newmark数值算法计算结构在给定荷载下的位移响应，采样频率为2000Hz，共计算2s的响应数据，每个“测点”得到4000个数据，然后利用公式(4)得到CoD，最终得到结构未损伤状态时各测点的CoD向量12[,,,]nlCCC，并对该向量进行欧拉范数归一化处理，即12122[,,,][,,,]nnllCCCCCC，以消除激励大小的影响。图1三跨连续梁Fig.1Three-spancontinuousbeam图2三跨连续梁有限元模型(单位：cm)Fig.2Finiteelementmodelofthree-spancontinuousbeam(unit：cm)为了模拟计算结构损伤后的振动参数，引入一个简单的损伤模型，结构中的局
1788应用力学学报第37卷点上安置一个传感器，那么总共有63个测点，可得到各单元的CoD，把结构损伤后的CoD向量减去未损伤状态时的CoD向量，可以得到CoD的改变向量1262[C,C,,C]，进一步计算得到变化比向量如下。236234626211122261[,,,,,,,,,]CCCCCCCCCCCCCCV(18)该向量中总共有(161)6118912个分量，如图3所示。图3第30单元刚度减少20%时CoD变化比分布Fig.3ThedistributionofCoDchangeratioswith20%stiffnessreductionof30thelement从图3中可以看到第869个分量的比值最大，对应3017CC，说明最大的变化比值跟损伤位置有关。再模拟第48单元有20%的刚度减少，进行同上的计算，得到图4所示的CoD变化比向量，最大变化比值出现在第281和337个分量，它们分别对应485CC和486CC，都与损伤单元有关。图4第48单元刚度减少20%时CoD变化比分布Fig.4ThedistributionofCoDchangeratioswith20%stiffnessreductionof48thelement5.2相同损伤位置、不同损伤程度时的CoD变化比向量假定第10单元发生损伤，单元刚度首先减少5%，然后以5%的速度递增直到减少50%，共10个不同损伤状态。计算各个状态各测点的位移响应，根据式(4)计算各测点的CoD值，再减去未损伤时对应测点的CoD值，得到CoD变化值以及每个损伤状态下的CoD变化比向量，共计10个损伤向量1V,,10V，上标表示结构的损伤状态；然后计算这10个CoD变化比向量相互之间的MAC值，即T2TT()MAC()()ijijiijjVVVVVV，得到共计1
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进粒子群优化粒子滤波的结构损伤识别[J]. 李磊,张纯,宋固全. 应用力学学报. 2018(05)
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[8]环境激励下结构模态参数识别方法综述[J]. 刘宇飞,辛克贵,樊健生,崔定宇. 工程力学. 2014(04)
[9]频率变化平方比向量确定结构损伤位置[J]. 董五安,杨世浩. 噪声与振动控制. 2013(03)
[10]基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进展[J]. 王术新,姜哲. 振动与冲击. 2004(04)
博士论文
[1]土木工程结构模态参数识别[D]. 禹丹江.福州大学 2006
[2]基于振动的桥梁结构损伤识别方法研究[D]. 谢峻.华南理工大学 2003
本文编号：2938918
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