基于柔度曲率矩陣的結(jié)構(gòu)損傷識別研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷識別的主要研究內(nèi)容是對各種工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測并對檢測結(jié)果做適當(dāng)?shù)姆治?，從而確定該結(jié)構(gòu)的健康狀況。它所處理的是結(jié)構(gòu)內(nèi)部、肉眼不可見的損傷，檢測手段通常要求是非破壞性的，而識別結(jié)果將作為結(jié)構(gòu)安全使用與維護(hù)的重要依據(jù)。各種識別方法要解決的三個關(guān)鍵問題是：(1)結(jié)構(gòu)中是否存在損傷；(2)確定結(jié)構(gòu)中損傷的位置；(3)確定損傷的程度或形式。損傷識別問題的提出有著重要的工程背景，其研究涉及航空航天、交通運(yùn)輸及建筑等眾多領(lǐng)域。同時結(jié)構(gòu)損傷識別也是

2、力學(xué)和工程中一類典型的反問題，其中工程實(shí)際中提出的反問題往往是待定多個未知函數(shù)，即幾類反問題可能在一個實(shí)際問題中同時出現(xiàn)。為了簡化求解或使求解成為可能，常用的處理方法是把某些待定或不確定的函數(shù)視為已知，先分解難點(diǎn)，再逐步進(jìn)行求解，所以損傷識別也同時具有理論意義。
　　 結(jié)構(gòu)損傷會對結(jié)構(gòu)的物理特性如剛度、質(zhì)量、阻尼等產(chǎn)生影響，那么結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)如固有頻率、振型等也會隨之改變，這些現(xiàn)象被廣泛的應(yīng)用到結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控和檢測中，所以將結(jié)構(gòu)振

3、動測試數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)損傷識別的研究得到了眾多研究者的重視。研究表明模態(tài)柔度比固有頻率或振型對局部損傷更敏感，可以很好地用于識別結(jié)構(gòu)損傷。
　　 柔度矩陣可通過由測試得到的結(jié)構(gòu)前幾階固有頻率和模態(tài)振型來較為精確地構(gòu)造出來。根據(jù)振動理論，對于多自由度系統(tǒng)，利用柔度矩陣與剛度矩陣的互逆性，可得到柔度矩陣。柔度矩陣元素反比于固有頻率的平方，即低階振動的模態(tài)和頻率信息在柔度矩陣中所占的影響成分很大。實(shí)際應(yīng)用中一般只能測得結(jié)構(gòu)最低的幾階模態(tài)與

4、頻率，以此來近似得出實(shí)際的柔度矩陣。在利用結(jié)構(gòu)剛度矩陣進(jìn)行損傷識別的算法中，有限的低階模態(tài)信息使剛度矩陣的近似誤差較大，而利用柔度矩陣則可避免這一缺點(diǎn)。
　　 提出了基于柔度曲率的板結(jié)構(gòu)損傷識別的理論，推導(dǎo)了二維結(jié)構(gòu)的柔度曲率公式并基于此公式給出板結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)即柔度曲率矩陣。此理論在判斷板結(jié)構(gòu)中是否存在損傷的同時即可判斷結(jié)構(gòu)中損傷的位置。之后定義了等效柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線并通過仿真模擬，回歸了板結(jié)構(gòu)的損傷程度

5、的判別公式。仿真分析表明，該方法可以很好的判斷損傷位置及損傷程度。
　　 基于板結(jié)構(gòu)理論發(fā)展了基于柔度曲率的加筋板結(jié)構(gòu)損傷識別的理論，先對加筋板中板結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別，然后對筋進(jìn)行損傷識別。由損傷結(jié)構(gòu)的柔度曲率矩陣?yán)L出圖像，或者由矩陣的行或列曲率圖，通過比較就能直接得出損傷位置。通過數(shù)值仿真給出了另外幾個不同于原來的重要的損傷指標(biāo)矩陣，驗(yàn)證并完善了所提出的理論。通過這些損傷指標(biāo)矩陣可以將加筋板結(jié)構(gòu)的多損傷識別過程簡化為至多兩個損傷的損

6、傷識別。
　　 建立了基于柔度曲率的柱殼結(jié)構(gòu)損傷識別的理論。提出一種基于柔度曲率的柱殼結(jié)構(gòu)的分析方法和判斷準(zhǔn)則，首先得到柔度損傷指標(biāo)矩陣，再對柱殼結(jié)構(gòu)的軸向、周向分別進(jìn)行柔度曲率分析來判斷損傷位置。其中在軸向分析中通過類似于第二章的分析方法得到軸向柔度曲率矩陣；在周向分析中把管狀結(jié)構(gòu)考慮成為一組“圓環(huán)結(jié)構(gòu)”的集合，再借鑒圓曲率的方法，得到了周向的柔度曲率矩陣，通過軸向或周向的柔度曲率矩陣，就可以對損傷位置進(jìn)行較好的判斷。在仿真分

7、析中可以看出，無論位移還是轉(zhuǎn)角的柔度曲率矩陣能夠很好的判斷損傷位置。定義了柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線，并通過大量的仿真分析回歸了損傷程度公式。在損傷定位的同時，通過損傷位置的坐標(biāo)以及柔度曲率變化率就可以進(jìn)行損傷程度的分析。
　　 進(jìn)行了對邊簡支和三邊簡支的損傷鋁板的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，得到了兩種板結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和固有頻率。其中對邊簡支板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了SISO模態(tài)實(shí)驗(yàn)與純模態(tài)實(shí)驗(yàn)，三邊簡支進(jìn)行了SISO模態(tài)實(shí)驗(yàn)。通過所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行

8、板結(jié)構(gòu)的損傷識別，進(jìn)而來驗(yàn)證本文前面所提出的理論方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然不像仿真模擬中的效果明顯，但還是可以較好進(jìn)行損傷識別，其中用純模態(tài)實(shí)驗(yàn)中得到的模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識別結(jié)果較好。
　　 用結(jié)構(gòu)模態(tài)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別，通常都要用到結(jié)構(gòu)未損傷前的模態(tài)信息。對于機(jī)械工程、船舶工程、海洋平臺等大型工程結(jié)構(gòu)，就要在工程結(jié)構(gòu)建好之后，馬上進(jìn)行模態(tài)分析，以備份未損傷的模態(tài)信息，但這就需要大量的人力物力，這是不經(jīng)濟(jì)的，因此，沒有原始模態(tài)參數(shù)的結(jié)構(gòu)損