基于遗传算法的网架结构损伤识别研究

发布时间：2020-03-30 01:53

【摘要】：随着国民经济的快速发展以及国家的大力支持,大跨度空间网架结构近年来得到了迅速的发展,尤其是在一些对跨度及净空要求较高的熟料库、干煤棚、大型装备维修车间中应用最为广泛。虽然网架结构构件的生产及制作日益规范,但是不可避免得会出现随机缺陷,主要表现为杆件材料的缺陷、截面面积的负偏差以及运输或安装过程中碰撞导致的初始挠度等。网架结构在使用过程中往往会承受一些较大的荷载,其在设备激励以及外部荷载激励下,可能会出现螺栓松动、杆件弯曲甚至断裂等损伤,这些损伤通常难以通过目测的方法观察到。随着结构的长期运行,局部损伤可能会出现累积而引起结构局部甚至整体倒塌,从而引发灾难性的后果。所以对在役网架结构进行定期的损伤检测,及时发现结构的损伤并提出预警,对消除安全隐患具有重要的现实意义。本文采用有限元软件ANSYS中的Monte-Carlo概率设计法,进一步选取拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling,LHS)方法以减少抽样数量,从而提高计算效率。于模拟过程中设置了材料密度、弹性模量、泊松比以及杆件截面面积四种随机输入变量,将结构振动频率定义为输出变量,对网架结构进行可靠性分析,得到了网架结构振动频率对于各随机变量的灵敏度和随机变量的相关性系数。模拟结果表明:在设置的四种随机输入变量中,结构振动频率对弹性模量与密度的灵敏度较高,其中弹性模量与密度分别存在缺陷时,两者的结构振动频率相关性系数比值约为3.1:1.0,且两者对结构频率变化的相关性是相反的。最终选取对结构频率影响较大的弹性模量,将其以正态分布的缺陷形式施加到网架结构中,以模拟结构存在随机缺陷时的损伤识别。本文利用基于遗传算法的损伤识别方法对网架结构进行了损伤识别研究。该损伤识别方法原理为模型修正,即对无损结构进行一定的修正,使得修正后结构的模态信息与损伤结构基本一致,从而实现对损伤位置以及损伤程度的识别。在Matlab中利用遗传算法工具箱构造了目标值函数作为相应的损伤识别指标,其以实测得到的结构振动频率和振型为依据,以结构各单元的刚度折减系数为待识别参数,将结构参数识别问题转化为只需要进行振动分析和遗传算法计算的问题,最后利用遗传算法自身的优化特性寻找出符合实测数据的最优个体,从而确定损伤发生的位置及程度。在数值模拟过程中,首先按照网架结构的杆件类型分别设置了上弦杆、下弦杆和腹杆三种不同位置的损伤工况;其次设置了单根杆件不同程度的损伤工况,以提高损伤识别的准确性;最终将弹性模量的缺陷添加到结构中,设置了两根杆件同时损伤的工况,以模拟该方法对在役网架结构的损伤识别。本文在实验分析阶段,以锤击法对网架结构进行一定的激励,通过布置在螺栓球节点处的加速度传感器获得结构的响应数据,利用DASP软件输出结构的前五阶模态信息,并采用基于遗传算法的结构损伤识别方法对设置的损伤工况进行了分析。通过数值模拟以及实验分析可知,利用基于遗传算法的结构损伤识别方法可有效地识别出网架结构中损伤的发生位置及程度。并且通过对比三种不同的目标函数可以看出,综合利用频率与振型构造的目标函数识别效果较好且效率较高。利用该方法对存在随机缺陷的网架结构进行损伤识别时,同样可以取得较为理想的结果。
【图文】：

干煤棚,电厂

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 引言随着我国经济的蓬勃发展，科技水平的不断提高，空间结构理论分析也得到了长足的进步。近年来，国家大力发展装配式结构，钢结构迎来较快的发展期。其中大跨度空间结构以其合理的受力形式及优美的造型越来越广泛地应用到实际工程中。网架结构与混凝土结构相比，，跨度较大，但是其自重却非常小，钢材相对混凝土还具有可回收循环利用的特点，并且其仍具有便于工厂化生产、施工速度快、受力性能好等优点，因而得到了广泛应用。随着目前工业化及生产工艺的需求，在大型吊车等移动荷载的作用下，网架结构的受力形式也会变得较为复杂。例如，图 1-1 所示为某电厂干煤棚；图 1-2 所示为大型体育场馆；图 1-3 所示为熟料库，结构上的设备在运行时会产生较大的振动荷载；图 1-4所示为航空领域的 A380 机库，其在役阶段通常会承受多个起吊设备同时运行所带来的荷载。

体育场,上海

第 1 章绪论第 1 章绪论1.1 引言随着我国经济的蓬勃发展，科技水平的不断提高，空间结构理论分析也得到了长足的进步。近年来，国家大力发展装配式结构，钢结构迎来较快的发展期。其中大跨度空间结构以其合理的受力形式及优美的造型越来越广泛地应用到实际工程中。网架结构与混凝土结构相比，跨度较大，但是其自重却非常小，钢材相对混凝土还具有可回收循环利用的特点，并且其仍具有便于工厂化生产、施工速度快、受力性能好等优点，因而得到了广泛应用。随着目前工业化及生产工艺的需求，在大型吊车等移动荷载的作用下，网架结构的受力形式也会变得较为复杂。例如，图 1-1 所示为某电厂干煤棚；图 1-2 所示为大型体育场馆；图 1-3 所示为熟料库，结构上的设备在运行时会产生较大的振动荷载；图 1-4所示为航空领域的 A380 机库，其在役阶段通常会承受多个起吊设备同时运行所带来的荷载。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU356;TU317;TP18

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