受控結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別及振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化.pdf

1、近年來(lái),大量的研究關(guān)注了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)在地震與臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害條件下的應(yīng)用與發(fā)展。本文研究?jī)?nèi)容將著眼于以下兩個(gè)方面:研究受控結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法;基于該結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法構(gòu)造結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)的一體化系統(tǒng)。通過(guò)以上研究可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制系統(tǒng)和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一體化,這對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用將更加經(jīng)濟(jì),且能加強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制性能和結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別性能并有利于創(chuàng)造智能化結(jié)構(gòu),具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本論文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面

2、:
　　(1)針對(duì)安裝有半主動(dòng)摩擦阻尼器控制裝置的受控結(jié)構(gòu)提出了一種新的系統(tǒng)識(shí)別和損傷識(shí)別的方法。該方法基于運(yùn)用半主動(dòng)摩擦阻尼器和結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的模型修正技術(shù)。通過(guò)半主動(dòng)摩擦阻尼器提供的附加剛度,創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)的兩種狀態(tài):沒有任何附加剛度的原結(jié)構(gòu);擁有已知附加剛度的結(jié)構(gòu)?？紤]到剪切型結(jié)構(gòu)剛度矩陣的組成特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)換特性,提出了一種基于上述兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的頻響函數(shù)的修正結(jié)構(gòu)剛度矩陣并且識(shí)別結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)的方法。假定結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間服務(wù)或者遭

3、遇極端事件后受到破壞,運(yùn)用上述模型修正方法可以得到受損結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)。通過(guò)運(yùn)用上述方法分別識(shí)別未損結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù),提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方案。最后通過(guò)一個(gè)具體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值算例,驗(yàn)證了該識(shí)別方法在不同的激勵(lì)條件下以及測(cè)量噪聲干擾下的可行性。
　　(2)論述了基于頻響函數(shù)及控制裝置提供附加剛度的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法在大底盤結(jié)構(gòu)上的實(shí)驗(yàn)研究。建造了由12層主樓和3層裙樓組成的結(jié)構(gòu)模型以模擬大底盤結(jié)構(gòu)。主樓和裙樓之間的連接處被認(rèn)為

4、最易受到損傷,因此在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變?cè)撨B接處的剛度以模擬大底盤結(jié)構(gòu)的損傷。為了模擬由半主動(dòng)摩擦阻尼器提供的附加剛度,設(shè)計(jì)了一個(gè)鋼制圓環(huán)彈簧并用于為大底盤結(jié)構(gòu)模型提供附加剛度。通過(guò)改變連接剛度,采用偏心輪激振系統(tǒng),附加或不附加圓環(huán)彈簧,對(duì)大底盤結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了8種工況的測(cè)試并相應(yīng)地得到了8組頻響函數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被用于先前所述基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法以識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷(連接剛度的改變)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法能有效地識(shí)別大

5、底盤結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。
　　(3)提出了基于半主動(dòng)摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化。首先采用基于半主動(dòng)摩擦阻尼器提供附加剛度及結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的系統(tǒng)識(shí)別方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和模型修正。接著,依據(jù)修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)矩陣,運(yùn)用一種帶穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波的局部反饋控制算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)控制。最后將參數(shù)識(shí)別方法分別應(yīng)用于未損結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu),通過(guò)比較兩者的物理參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。通過(guò)對(duì)一個(gè)五層剪切型結(jié)構(gòu)進(jìn)行的數(shù)值模擬研究,驗(yàn)證了

6、該結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)能很好的識(shí)別出結(jié)構(gòu)的水平層剛度,有效地控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的峰值和均方根,在測(cè)量噪聲干擾下也能較為精確地識(shí)別出結(jié)構(gòu)單一損傷或多損傷的損傷位置和損傷程度。
　　(4)針對(duì)受控結(jié)構(gòu)提出了一種未知地震作用下的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷識(shí)別方法。首先,考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)為時(shí)不變時(shí),通過(guò)假定未知激勵(lì)的估計(jì)值形式,提出了基于最小二乘估計(jì)未知激勵(lì)的遞推識(shí)別方法。然后,考慮結(jié)構(gòu)所承受的所有外部激勵(lì)均為已知時(shí),依據(jù)基于測(cè)量數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波

7、增益最優(yōu)性條件,提出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的結(jié)構(gòu)時(shí)變參數(shù)識(shí)別方法。接著,綜合上述研究,提出了未知激勵(lì)作用下結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷的識(shí)別方法。具體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值模擬研究表明,當(dāng)受控結(jié)構(gòu)承受未知地震激勵(lì)而發(fā)生損傷時(shí),該方法可以識(shí)別出作用于結(jié)構(gòu)上的地震加速度時(shí)程,同時(shí)準(zhǔn)確地捕捉到結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)間,損傷發(fā)生的位置及損傷的程度。
　　(5)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享并對(duì)主動(dòng)、半主動(dòng)控制裝置具有普適性的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化的時(shí)域法。在該

8、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)中,振動(dòng)控制系統(tǒng)采用MR阻尼器并運(yùn)用滑動(dòng)最優(yōu)位移控制方案,健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則采用基于最小二乘估計(jì)及擴(kuò)展卡爾曼濾波的結(jié)構(gòu)時(shí)變損傷識(shí)別方法。將由力傳感器測(cè)得的由控制裝置提供的控制力實(shí)時(shí)提供給結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和結(jié)構(gòu)時(shí)變參數(shù)識(shí)別的效果,而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的結(jié)構(gòu)時(shí)變參數(shù)也被提供給振動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)時(shí)修正控制算法并保持最優(yōu)的控制力。數(shù)值模擬研究表明:該結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制與健康監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)既能有效地降低結(jié)構(gòu)