基于压电阻抗技术和神经网络的空间结构螺栓球节点连接损伤识别方法研究

发布时间：2020-03-18 18:58

【摘要】：螺栓球节点是空间结构常见的节点连接形式之一,它具有安装简单、安装速度快、施工周期短等优点。节点是空间结构受力较为集中的位置,一旦损伤失效,将导致结构局部丧失承载力,甚至整体坍塌;另一方面,螺栓球节点在应用过程中,不可避免的面临着一些问题,例如:在设计方面,螺栓球节点常被作为铰接节点计算,而它实际是一种“半刚性节点连接”,降低了设计结果的可靠性;在安装方面,可能存在假拧、高强螺栓拧入深度不足等问题;在使用过程中,螺栓球节点连接可能存在紧固螺钉丢失、螺栓松动、杆件套筒松动等问题;在监测方面,螺栓从节点内部将杆件和螺栓球相互连接在一起,在外部难以对其检查和监测。这些问题导致由于节点损伤引发空间结构发生事故的概率,远高于杆件损伤。但是,目前针对空间结构损伤识别的研究,大多集中在对杆件损伤的识别,很少有针对螺栓球节点连接状态的损伤识别研究。本文针对空间结构螺栓球节点连接,提出了基于压电阻抗技术和神经网络的损伤识别方法。首先,从理论角度分析压电阻抗技术中的阻抗指标与结构损伤的关系。然后,利用数值模拟方法验证阻抗指标与螺栓球节点连接松紧程度的相关性;最后,以一个正放三角锥型平板网架模型为研究对象,设计空间结构螺栓球节点连接损伤试验,基于提出的损伤识别方法,实现了螺栓球节点连接损伤的定性、定位和定量的识别。具体研究内容如下:(1)基于压电阻抗理论推导压电陶瓷(PZT)片耦合结构系统的电导纳方程。通过分析SMD系统下结构耦合PZT片的压电方程、结构的机械阻抗及PZT片的机械阻抗推导出PZT片的电导纳方程。由该方程可知:在压电陶瓷传感器性质稳定的情况下,其测得的电阻抗信号的变化能直接反应结构机械阻抗的变化,即结构损伤变化。(2)提出了基于压电阻抗技术和神经网络的空间结构螺栓球节点连接损伤识别方法。首先,建立螺栓球节点连接有限元模型,提取其在不同松紧状态下的阻抗数据,证明了阻抗指标(导纳)与螺栓球节点连接松紧程度的相关性,即证明了所提出损伤识别方法的可行性;然后,详细介绍了该分步损伤识别方法的步骤:(1)通过导纳谱的变化确定损伤的发生;(2)定义导纳子频段均方根偏差(RMSD)为损伤指标,利用其确定损伤位置;(3)基于BP神经网络确定损伤程度。该方法能实现结构的在线实时监测,可用来识别结构初期或微小损伤,且不依赖于结构的有限元建模精度,具有简单易行、局部灵敏度高、识别准确率高、结果可靠等优点。尤其适合于空间结构螺栓球节点连接的损伤监测。(3)以一个正放三角锥型平板网架模型为研究对象,设计损伤试验,证明了提出的损伤识别方法能实现对节点连接损伤的定性、定位及定量识别。具体内容如下:(1)在100kHz-300kHz范围内对贴于结构的PZT片进行激励,提取螺栓球节点连接损伤前后的导纳谱,通过对比发现导纳的峰值大小及峰值所在频率点均变化。这表征了损伤的发生。(2)基于压电阻抗技术确定损伤位置。针对不同损伤位置,构建12种损伤工况;选取部分工况,对PZT片进行激励,根据提取的导纳曲线的子频段RMSD值,最终选取200kHz-220kHz为阻抗敏感频段;针对12种损伤位置工况(GK1-GK12),在敏感频段范围内对PZT片进行激励,提取电导纳谱,分析并对比各子频段RMSD值,确定损伤位置。结果表明贴于连接杆件上的PZT片可以监测损伤的发生,其它位置的损伤对其影响较小,即通过RMSD可以判断螺栓球节点连接的损伤位置。(3)基于BP神经网络对螺栓球节点连接的损伤程度进行识别;针对螺栓球节点连接设计8种松紧程度工况,每种工况反复试验20次,并提取导纳数据。任意选取部分试验数据对BP神经网络进行训练,其余试验数据对BP神经网络测试。测试结果显示:BP神经网络成功的识别出了所有测试样本的损伤程度。基于BP神经网络的空间结构螺栓球节点连接损伤识别方法能够准确识别螺栓球节点连接的损伤程度,该方法简单易行、精度高,迭代次数少,具有很高的准确性。
【图文】：

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第 1 章绪论1.1 引言空间结构的建造被认为是一个国家建筑科技水平的重要体现，主要包括网壳结构、网架结构、膜结构、悬索结构及薄壳结构等。随着建筑科技水平的提升，空间结构形式日益新颖，组成日益复杂，应用也日益广泛，其结构设计也趋向复杂化、智能化。空间结构多采用大量新材料、新工艺、新技术，并且具有建筑外形优美，受力合理、重量轻、经济性好，抗震性良好、使用时间长等优点，被广泛应用于各种大型体育场馆、航站楼、火车站、会议厅、展览厅等公共建筑中[1]，如巴伦西亚会议中心（图 1.1），日本福冈体育馆（图 1.2），米兰贸易会展中心（图 1.3），上海世界博览会场馆，北京奥运会北京主场馆“鸟巢”（图 1.4）等。

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第 1 章绪论1.1 引言空间结构的建造被认为是一个国家建筑科技水平的重要体现，，主要包括网壳结构、网架结构、膜结构、悬索结构及薄壳结构等。随着建筑科技水平的提升，空间结构形式日益新颖，组成日益复杂，应用也日益广泛，其结构设计也趋向复杂化、智能化。空间结构多采用大量新材料、新工艺、新技术，并且具有建筑外形优美，受力合理、重量轻、经济性好，抗震性良好、使用时间长等优点，被广泛应用于各种大型体育场馆、航站楼、火车站、会议厅、展览厅等公共建筑中[1]，如巴伦西亚会议中心（图 1.1），日本福冈体育馆（图 1.2），米兰贸易会展中心（图 1.3），上海世界博览会场馆，北京奥运会北京主场馆“鸟巢”（图 1.4）等。
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU317

【参考文献】