（工程力学专业论文）基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g 删幽册 y 1 8 2 5 岑芝岑。 r e s e a r c ho na d a p t i v et r a c k i n gs t r u c t u r a l d a m a g eu s i n gi n c o m p l e t em e a s u r e m e n t a t h e s i sm e n g i n e 嘶n gm e c h a n i c s b y l ix i n a d v i s e db y p r o z h o ul i s u b n l i t t e di np i r t i a lf u l 行1 l m e n t o ft 1 1 er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：查堑 日 期：型兰：墨竺兰 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在结构的健康监测中，当破坏发生时能够立刻对结构的损伤做出判断和评估，是一项非常 重要有意义的工作。目前基于振动信号的系统识别以及损伤识别技术，已是当前国内外研究的 热点问题。传统时域分析方法一般都需要传感器测量所有的外部激励和响应，但在实际应用中， 要求健康监测系统在结构所有的自由度上都安装传感器测量响应并不现实。为了克服这个缺点， 有研究者提出带朱知输入输出的自适应序贯非线性最小二乘法( a s n l s e u i u o ) ，能够在有未 知输入和未知输出的情况下准确识别结构的参数及其变化。该方法在识别系统参数上关于未知 条件的必要条件是：结构自由度数必须大于未知输入与未知输出的个数之和。而对其应满足的 充分条件，并未进行研究，即需要多少输入和输出测量值，该方法才能识别出结构所有自由度 的时变参数。因此，本文首先从理论上对结构参数相关的数据矩阵进行秩分析，提出应用秩分 析方法来确定a s n l s e u i - u o 方法未知条件的充分性；然后通过对多自由度线性结构进行数值 仿真研究，在逐步增加未知输入及输出的情况下，识别结构的参数，得到的所有结果与理论分 析结论一致；通过对三自由度剪切梁模型进行在线损伤实验研究，逐步增加未知输入及输出的 情况下识别结构的参数，实验验证理论分析；最后，结合g u y a i l 模型缩聚方法，在结构缩聚之 后变为一般方程，进一步验证秩分析得到该方法充分性条件的有效性。 关键词：自适应序贯非线性最小二乘法，结构损伤识别，未知条件，充分性条件，实验验证 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 a b s t r a c t a ni m p o r t a n to b j e c t i v eo fs 仇l c t u r a lh e a l t l lm o n i t o f i n gs y s t e n 坞i st oi d e n t i 匆t l l es t a t eo ft l l es m j c t i l r e 锄dt 0d e t e c tt l e 妇n a g e 、j l ，：h e ni to c c u r s a m l y s i st e c h l l i q u e sf 0 rd 锄a g ei d e n t i f i c a t i o no fs 缸j c t l l r e s ， b a s e do nv i b r a t i o nd a t am e a s u r e d 丘d ms e n s o r s h a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n t h en a d i t i o i l a l t i m e 也1 1 1 a i l la n a l y s i st e c i l i l i q u e sr e q u i i et i l a ta l lm ee x t e m a le x c i t a t i 0 1 1 s 锄da c c e l e m t i o n sr e s p o n d e s b ea v a i l a b l e ，w h i c hm a yr l o tb et h ec 弱ef 断m o s ts 仇l c t i l r a lh e a h hm o n i t o 咖gs y s t e m s ，d u et op r a c t i c a l 1 i i l l i t a t i o n s 1 k a d a p t i v es e q u e n t i a l n o n l i i l e 盯 l e a s t - s q u a r ce s t i m a t e n l e l o dw i mu n k n 佣m ( u m n e 嬲u r e d ) e x c i t a t i o l l s ( i 印u t s ) a n du i l l m o w n ( u 1 1 1 1 1 e 弱u r e d ) a c c e l e r a t i o nr e s p o i l s e s ( o u 单u t s ) l l a s b e e np r o p o s e dt oi d e n t i 匆m ep 踟e t e r so fm es y s t e m sa n dm ev 蜀i r i e t yb yy m ge ta l ( 2 0 0 7 ) t h e n e c e s s a 巧c o n d i t i o no fn l i sm e t i l o di st l l en 咖出e ro fd o f sm u s tb eg r e a t e rm a i l l et o t a lm m l b e ro f u 1 1 l m o 、) l ，ni n p u t sa n du 1 1 l ( 1 l o 、no m p u t s t h o u g h ，圮s u 伍c i e n tc o n d i t i o n ，t l l a th o wm a i l yk n o w ni n p u t s a n dk n o w no u t p u t sb en d e dt oi d e n t i 匆t 1 1 et i m ev a r y i n gp a r a m e t e r so ft l l es y s t e mo fa l ld d f s ，l l a s n o tb e e np r 叩o s e d 啊1 e r e f o r e ，f 豳n y m es u 伍c i e n tc o n d i t i o ni s 1 e o r e t i c a l l yo b t a i n e db ya n a l y 2 抽g 吐l er a n ko fd a t am a 埘xw l l i c hr e l a t e dt o 蛐n l c t i l r a lp 舢e t e r s t h e n ，n u m 甜c a ls i m u l a t i o i l sw i t l l m u l t i p l ed e g r e e so f 五陀e d o m ( m d o f ) l i n e 盯s 缸u c t u r e sa r ep e r f o 加舱dt oi d e n t i 矽t l l ep 猢e t e r so ft l l e s 们j c t l l r c s t h en l l m b e ro fu n h l o w ni n p u t sa n du n l 【i l o w no u 印u t si si n c r e 舔e ds t 印b ys t 印，狮dm e i d e n t 湎c a t i o nr e s u l t so ft h es i m u l a t i 叽sa r et i l es 锄e 弱t h et l l e o r e t i c a lo l l e s a n do n l i l l ee x p “m e n t b 船e do n3 二d o fs h e 盯- b e 锄m o d e li sc o n d u c t e dt 0v a l i d a t et h ec o 盯e c n 圮s so fn l e l e o r e t i c a lr e s u l t s f i n a l l y b a s e d0 n l es t a t i cc o n d e i l s a t i o nm e m o d ，吐l e12 一d o ff i n i t ee l e m e n tm o d e l i sc o n d e n s e dn o a6 一d o fs y s t e 驰a 1 1 dt l l e 胁t i o m ld o f sh a v eb e 锄c o n d e n s e d ，锄dt l l ee q 叫i o nt 哪诚on o 咖a 1 e q u a t i o n ，t ov e r i 够n l e 廿l e o r e t i c a ls u 伍c i e n ta n a l ”i c a lm e t h o dm e n t i o n e d 廿l ep a p 既 k e y w o r d s ： a s n l s e - u i - u o ，s t n l c t u r a ld 锄a g ei d e m i f i c a t i o n ，u n l c f l o w nc o n d i t i o n ，s u 伍c i e n t c o n d i t i o n ，e x p 嘶m e n t a l 嘶f i c a t i o n i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 结构健康监测研究现状2 1 2 1 结构健康监测的组成2 1 2 2 结构健康的研究概况3 1 3 结构健康监测中数据处理技术的研究概况研究现状一3 1 3 1 信号的采集和处理3 1 3 2 损伤检测4 1 4 本文的主要研究工作7 1 5 本文的内容安排7 第二章序贯非线性最小二乘法及充分性理论研究8 2 1 引言8 2 2 带未知输入及输出的序贯非线性最小二乘法( a s n l s e u i - u o ) 8 2 3a s n l s e u i - u o 方法充分性理论分析1 4 第三章数值仿真研究1 6 3 1 引言1 6 3 2 三自由度线性剪切梁模型仿真1 6 3 2 1 仿真模型。1 6 3 2 2 仿真模型施加白噪声激励。1 8 3 2 3 仿真模型施加地震波激励2 3 3 3 五自由度线性结构模型仿真2 9 3 4 本章小结3 2 第四章实验验证研究3 3 4 1 引言。3 3 4 2 实验模型和设备3 3 4 3 实验结果3 4 4 3 1 模型施加k o b e 地震波激励第二层发生损伤3 4 4 3 2 模型施加k 曲e 地震波激励第一层发生损伤4 1 4 4 本章小结4 6 第五章模型缩聚后a s n l s e u i u o 方法充分性研究4 7 i i i 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 i v 5 1 引言4 7 5 2 有限元仿真及实验4 7 5 2 1 有限元模型及结果4 7 5 2 2 实验设备及实验结果5 0 5 3 结构g u y a l l 缩聚后a s n l s e u i u o 方法充分性研究5l 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结。5 5 6 2 展望。5 6 参考文献5 7 致谢6 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 结构健康监测系统工作流程图2 图3 1 仿真模型受白噪声激励各层加速度响应和激振力信号1 7 图3 2 仿真模型受e lc e n 们地震波激励各层加速度响应和激励信号1 7 图3 3 三自由度模型激励、加速度口，、以已知q 未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 一1 8 图3 4 三自由度模型激励、加速度q 、级已知未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 一1 9 图3 5 三自由度模型激励、加速度q 、锡已知未知时刚度阻尼识别结果( 白噪卢激励) 1 9 图3 6 三自由度模型激励、加速度强已知q 、口，未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 一2 0 图3 7 三自由度模型激励、加速度已知q 、未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 2 0 图3 8 三自由度模型激励加速度q 已知口：、未知时刚度阻尼识别结果( 白噪卢激励) 一2 1 图3 9 三自由度模型加速度q 、口，、以已知激励未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 2 l 图3 1 0 三自由度模型加速度口，、q 已知激励、q 未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 2 2 图3 1 1 三自由度模型加速度q 、已知激励、口未知时刚度阻尼识别结果( 白噪声激励) 2 2 图3 1 2 三自由度模型加速度、已知激励、未知时刚度阻尼识别结果( 自噪声激励) 2 3 图3 1 3 三自由度模型激励、加速度锡、强已知q 未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 4 图3 1 4 三自由度模型激励、加速度q 、吼已知口，未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 4 图3 1 5 三自由度模型激励、加速度q 、口，已知纵未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 5 图3 1 6 三自由度模型激励、加速度色已知q 、锡未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 5 图3 1 7 三自由度模型激励、加速度口，已知q 、啾未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 6 图3 1 8 三自由度模型激励、加速度q 己知玛、以未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 6 图3 1 9 三自由度模型加速度q 、锡、已知激励未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 7 图3 2 0 三自由度模型加速度口：、吼已知激励、口l 未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 7 图3 2 1 三自由度模型加速度q 、已知激励、口，未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 8 图3 2 2 三自由度模型加速度口1 、口，已知激励、吼未知时刚度阻尼识别结果( 地震波激励) 2 8 图3 2 3 五自由度模型加速度q 、口3 、口。、口5 已知，激励、未知参数识别结果3 0 图3 2 4 五自由度模型激励、加速度q 、口2 、口。己知，吒、吒未知参数识别结果3 0 图3 2 5 五自由度模型加速度q 、口3 、口。已知，激励、口，、未知参数识别结果3 l 图3 2 6 五自由度模型加速度q 、口，、口。已知，激励、口3 、口5 未知参数识别结果3 1 图4 1 刚度元件装置的实验安装3 3 图4 2 模型基础施加地震波激励3 4 图4 3 三层实验模型受k o b e 地震波激励各层加速度响应和激励信号3 5 v 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 图4 4 实验模型第二层损伤激励、加速度口，、吼已知，口l 未知时刚度阻尼识别结果3 6 图4 5 实验模型第二层损伤激励、加速度口l 、以已知，口，未知时刚度阻尼识别结果3 6 图4 6 实验模型第二层损伤激励、加速度q 、口 已知，以未知时刚度阻尼识别结果3 7 图4 7 实验模型第二层损伤激励、加速度级已知，q 、口未知时刚度阻尼识别结果3 7 图4 8 实验模型第二层损伤激励、加速度口已知，口1 、岛未知时刚度阻尼识别结果3 8 图4 9 实验模型第二层损伤激励、加速度口1 已知，口、以未知时刚度阻尼识别结果3 8 图4 1 0 实验模型第二层损伤加速度口1 、锡、如已知，激励未知时刚度阻尼识别结果3 9 图4 1 1 实验模型第二层损伤加速度口，、吼已知，激励、q 未知时刚度阻尼识别结果3 9 图4 1 2 实验模型第二层损伤加速度q 、已知，激励、口未知时刚度阻尼识别结果4 0 图4 1 3 实验模型第二层损伤加速度口1 、锡已知，激励、嗷未知时刚度阻尼识别结果4 0 图4 1 4 实验模型第一层损伤激励、加速度口 、已知，口l 未知时刚度阻尼识别结果4 l 图4 1 5 实验模型第一层损伤激励、加速度q 、吼已知，口未知时刚度阻尼识别结果4 2 图4 1 6 实验模型第一层损伤激励、加速度、锡已知，未知时刚度阻尼识别结果4 2 图4 1 7 实验模型第一层损伤激励、加速度强己知，q 、口未知时刚度阻尼识别结果4 3 图4 1 8 实验模型第一层损伤激励、加速度已知，儡、吼未知时刚度阻尼识别结果4 3 图4 1 9 实验模型第一层损伤激励、加速度口| 已知，岛、玛未知时刚度阻尼识别结果4 4 图4 2 0 实验模型第一层损伤加速度口l 、口、已知，激励未知时刚度阻尼识别结果4 4 图4 2 1 实验模型第一层损伤加速度锡、吼已知，激励、q 未知时刚度阻尼识别结果4 5 图4 2 2 实验模型第一层损伤加速度口1 、以已知，激励、口，未知时刚度阻尼识别结果4 5 图4 2 3 实验模型第一层损伤加速度儡、玛已知，激励、以未知时刚度阻尼识别结果4 6 图5 1 六自由度梁模型激励已知，加速度口2 、口3 、q 、口7 、口8 、口l o 、口1 1 、q 2 未知 的刚度的识别结果4 9 图5 2 悬臂梁实验模型一5 0 图5 3 实验模型激励已知，加速度q 、口2 、口4 、口5 、魄、口l o 、q 2 未知的刚度的识别 结! 裂! ；1 图5 4 实验模型激励已知，无转角加速度响应，口，、q 未知的刚度的识别结果5 3 表5 1 实验模型激励已知，无转角加速度响应，口，、儡未知缩聚前后刚度识别结果对比5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 i i i ，m 。 k 【x ( t ) ，口1 c i 赳t ) ，一l 置( t ) “t ) ，f 。( t ) 可，可 一 p ( ) 【l e k + l 0 h k + l 九j ( k + 1 ) p ，k p k + l i k a k + l 质量矩阵 注释表 刚度力向量 阻尼力向量 加速度响应 激励 激励影响矩阵 未知参数向量 结构参数相关的数据矩阵 状态向量 噪声向量 测量已知的数据矩阵 自适应因子 增益矩阵 自适应矩阵 k + i k + 1 ) 瓢+ 仉“ i f ( f ) 鼍( f ) ，( f ) 墨 c f q 入 x l x 2 4 r 口 7 b l b 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着社会经济和科技水平的发展，土木结构正朝着“高、大、长”的方向发展，越来越多的 高层建筑和大跨度桥梁在工程上得以实现。这些大型土木结构在使用的过程中经常会遭受一些 自然的或者人为的灾害性事件，比如地震、台风、洪水、爆炸等等。 检测已有建筑物或桥梁等结构在一些灾害性事件后的健康状况，通常是很费时的。因为关 键性的结构构件或：1 了点一般都在外覆物或建筑装饰物的下面。对于一些重要结构，如医院、电 厂、军事指挥中心、救援指挥中心、水处理厂等，在经历了大的灾害性事件后，立即对它们的 健康作出评估是很迫切的。同时，在这些突发事件后，需要将结构健康状态及时反映到相关的 政府主管部门，这可以为迅速营救人民生命财产起很大的作用。例如，1 9 9 4 年1 月1 7 日，美国加 州n o m l r i d g e 大地震时，一些建筑物在遭受主震后并未倒塌，但结构已经存在了损伤却未及时发 现，在后来的一次较大的余震作用下倒塌了。1 9 9 9 年我国台湾省台中大地震也有类似情况发生 【1 】。因此，鉴定结构物的健康状态是一件迫切需要解决的工作。它对提高工程结构的运营效率， 保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。 能够尽早诊断出结构的损伤是任何结构健康监测系统的重要目标，在实际中，能够通过传 感器得到的振动数据在线监测损伤，将保证结构的安全与可靠，而实际条件的限制，都会希望 尽可能的安装越少的传感器越好。 1 2 结构健康监测研究现状 结构健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析( 包括结构的响应) ，探测 结构的变化，揭示结构损伤与结构性能劣化，从而达到检测结构损伤或退化的目的【2 】。土木工 程结构的健康监测已经成为土木工程学科研究和发展的一个重要领域。 结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损 伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。它的主要过程包括： 通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征 因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测， 系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的实时信息【3 】。 结构健康监测技术与传统的无损检测技术( n 0 n d e s 缸u c t i v ee v a l u a t i o n ，简称n d e ) 不同， 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 通常n d e 技术运用直接测量确定结构的物理状态，无历史记录数据，诊断结果在很大程度上 取决于测量设备的分辨率和精度。而s h m 技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果 来识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和识别算法【4 1 。可 以说，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、 实时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然，结构健康 监测技术是一门跨学科的综合性技术，它涉及工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯 技术、材料学、模式识别等多方面的知识【5 1 。 1 2 1 结构健康监测的组成 一般认为结构健康监测系统包括以下几个部分： ( a )传感器系统。 ( b )数据采集和分析系统。 ( c )通讯系统。 ( d )监控中心和报警设备。 选择感知元件及传感器布置方案，由计算机系统组成的数据采集与分析系统对传感系统 采集的数据进行初步处理。由通讯系统将采集的并处理过的数据传输到监控中心，利用具有 诊断功能的软硬件对其进行诊断，判断出损伤的发生、未知以及程度，对结构的健康状况做 出评估，如果发生异常，发出报警信息。 2 图1 1 结构健康监测系统工作流程图 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 结构健康监测的研究概况 健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实时 的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。对土木工程结构的性 能进行监测及预防，不仅会大大减小维修费用，而且能增强预测的能力，有着非常好的应用前 景。在土木工程结构中主要应用于大型桥梁，如在丹麦、墨西哥、挪威、英国、加拿大等，对 悬索桥上尝试分别记录极端情况以及正常情况下数据情况；对斜拉桥进行动力特性测试并比较 环境激振和传统振动试验的效果；在斜拉桥上安装全自动数据采集系统对风、加速度、倾斜度、 应变、温度、位移进行自动监测；在桥上安装检测桥梁主跨挠度、气象资料、温度和应变等检 测仪器和设备；在该桥上安装综合监测系统，可监测桥梁在冰河载作用下的性能、短期和长期 变形、温度应力、车辆荷载以及风和地震等引起的动力响应等。在国内，结构健康监测系统也 有广泛应用p 引。 在其他土木工程领域，如在采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中也曾尝试结构健 康监测系统。同样，随着近些年发展起来的高性能、大规模分布式智能传感器、电讯、信息和 计算机技术的发展，为结构健康监测系统的发展提供了更好的基础，结构健康监测方面的研究 在国内的发展也极其迅猛9 。1 翔。 1 3 结构健康监测中数据处理技术的研究概况 1 3 1 信号的采集和处理 结构的征状是由采集信号分析获得的。因此，信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采 集技术包括信号的采集和放大、传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取和存储等。此外 还应该考虑采集数据的时间间隔、数据的标准化问题、测量过程的不确定性以及数据的净化问题。 基于随机振动的健康监测技术，其有效性首先建立在模态试验的好坏上，而传感器的类型、位置 和数量对试验结果起决定作用。由于客观因素的制约，传感器的数量总是有限的，如何安排有限 数量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，是健康监测的关键技术之一。 传感器的优化布置方法，目前采用的主要包括：模态动能法( m k e ) 【l3 1 、有效独立法( e i 法) 【7 ，1 4 1 以及基于f i s h e r 阵行列式的有效独立法、g u y a j l 模型缩减法【1 6 1 、奇异值分解法、基于遗传算 法的各种优化算法7 1 引 用于损伤检测的传感器类型主要有振动传感器、声级计、声发射传感器、温度传感器、阻抗 传感器等，随着微处理器技术的迅猛发展并与传感器的密切结合，使传感器不仅具有传统的检测 功能，而且还具有存储、判断和信息处理的功能，如光纤传感器、压电变频器、形状记忆合金传 感器、微电子力学系统传感器和智能压力传感器等【1 9 2 0 1 。其中光纤传感器以其质量轻、信息量大、 可测量多种数量级的信号、抗电磁干扰、易于埋设和形成网络等优点而具有很好的应用前景。 3 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 信号的分析和处理是结构损伤识别技术中特征因子的提取技术。传感器采集的信号，如频率、 振型、位移、速度、加速度、温度等可以直接利用，但大部分信号需经过放大、去噪声后，才能 得到对损伤敏感的特征因子。近年来出现的数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技术、分 形几何技术、模糊技术等大大丰富了信号处理的内容。小波变换可以聚集到信号的任意细节进行 频域处理，因此非常适用于提取非平稳信号振动波形特征。小波信号消噪处理可以从混有噪声的 污染信号中提纯原始信号，为提取复杂信号特征开辟了天地。在结构损伤诊断中，时域信号经小 波分析后其缺损特征会更加明显，因此从小波分析的数据中提取神经网络的训练样本能更好地反 映结构损伤特征【2 l 】。 1 3 2 损伤检测 结构健康监测的关键问题是监测系统的实现和损伤位置、程度的确定，这是结构健康监测与 诊断的核心，也是难点。损伤检测技术可分为局部法和整体法。局部法依靠无损检测技术( n d e ) 对特定构件进行精确的检测、查找，描绘缺陷的部位l l9 】；而整体法试图评价整体结构的状态， 可以间断或连续的评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。在大型土木工程结构的健康监测 中多综合利用局部法和整体法。理想的损伤识别方法应具备的一个重要特性是，能够区分结构建 模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差。真正的健康监测系统必须具备自动识别损伤的能力， 对于如何自动的从量测信息来解释结构健康状况，还未建立起完善的科学理论，对复杂结构的整 体检测仍是土木工程领域的一大挑战。目前局部法主要有：目测法，染色法，发射光谱法，回弹 法，发生射法，渗漏试验法，射线法，脉冲同波法，磁粒子法，磁扰动法，涡流法，蛐波法 等，其绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或尖稳。 整体法主要有：动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、神经网络法、遗传算法和小波分析法 最小二乘估计【2 2 2 7 1 、广义卡尔曼滤波方法2 8 。3 5 1 、贝叶斯估计3 酣、w i 鲫盯- v i l l e 分布、e v o l u t i o r 岬 谱方法等等。 实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。以下介绍几种常用的局部方法【3 7 1 。声 发射法( 又称应力波法) 能对活动性缺陷进行动态监测。采用声发射探头将发射源发射的弹性波 转换为电信号，经放大处理得到特征参数，从而推测材料内部发射源( 即缺陷) 的位置。以脉冲 回波法为主的超声波检测技术是利用其遇到相异介质能够反射的性质进行检测，具有良好的指向 性，在不同的材料中衰减性不同，检测灵敏度高、成本低、效率快。射线检测指用x 射线和直 线加速器对结构缺陷情况进行检测，可检测结构内部缺陷的位置和立体形状，用来判断结构是否 可用或为维修提供参考。电磁涡流技术主要检测交变磁场中导电材料感生涡流场，不需耦合和接 触，因此检测速度快，可以检测结构表面和内部缺陷。近年来，随着光纤传感器、光纤显微镜、 形状记忆合金等新型智能材料的发展，针对土木工程结构出现了一些新的局部损伤检测方法。如 i 舳1 b 波法【3 8 l ，采用光纤干涉传感器，利用i 舢1 b 模态和缺陷的关系检测；板的自适应小波模型， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 可以分离l a n l b 波的模态和反射；考虑到结构时域反映的几何特点而提出的几何时域方法【”】，对 于微小损伤比较敏感，而对环境的波形具有鲁棒性。 整体检测方法可以分为在线实时和离线间断来评价结构的健康状况，结构的损伤识别大体可 以分为四步进行：确定损伤的存在，确定损伤的位置，确定损伤的程度以及估计结构的剩余寿命。 现阶段结构健康监测与状态评估系统的研究尚处于基础性探索阶段，因此仍存在许多问题，如： 判断损伤是否存在，如何确定损伤的位置以及损伤量的大小这三个问题仍是主要问题，而目前还 无解决损伤对结构寿命的影响；大的损伤对系统参数有较大影响，而小损伤对系统参数影响较小， 再加上噪声的影响，上述许许多多的方法就无法诊断出小损伤，然而，对于有些大型结构例如海 洋平台、高层建筑、大型桥梁等，小损伤在较短的时间内会发展为大损伤，另外虽然小损伤对系 统参数影响较小，但对局部参数影响较大，所以，在实用和理论上，这是一个需要重视的问题； 结构体系可靠度研究尚处于初步阶段，对结构的安全状况定量地描述尚有一段距离，但它是安全 评定的必需工具；在土木工程中由于受到环境因素影响很大，会引起结构参数的变化，从而导致 监测系统给出错误的安全信息等等。 基于静态测试数据的( 位移或应变) 静态识别方法，这类方法属于反分析的方法，大都使用 优化算法去解决方程数目不足的问题。基于动态测试数据的识别方法，按照振动的特征量是否使 用结构的模型，可分为无模型的识别方法和有模型的识别方法，前者从振动频谱或时频分析而来， 如频响函数法、小波分析和时频分析等；后者则基于结构模型的模态解析方法，使用与模型有关 的特征量，如【古| 有频率、模态振型等。 模型识别法这种方法的基本思想是寻找与结构特性有关的“指纹”变化。结构一旦发生损伤， 其结构参数，如刚度、质量、阻尼等会发生改变，从而导致相应的动力指纹的变化。这些动力指 纹的变化可以看作结构损伤发生的标志，借以诊断结构的损伤。常用的动力指纹有：频率、振型、 振型曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模态确信准则( m a c ) 和坐标模态确信准则 ( c o m a c ) 等。大量的模型和实际结构试验表吲删，结构损伤导致的固有频率变化很小，而振 型( 尤其是高阶振型) 虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确量测较为困难。m a c 和c o m a c 等 依赖于振型的动力指纹同样如此。振型曲率、应变模态则因传统的低幅振动测试变化量量级过小， 难以起到有效的判别作用。因此，这类方法的应用有待于寻找新的动力指纹。为了发现损伤及其 位置，首先应根据先验知识，建立对应各种指纹变化的损伤数据库，然后将损伤后的动力指纹与 数据库中的指纹相比较，从而确定损伤状态。由于先验知识不完备，可能的损伤形式过于繁多， 建立相对完整的损伤数据库较难实现。且此方法敏感性差，观测到的模态参数的变化往往与很多 破坏形式接近，却难以确定具体的形式。 模型修正法的提出是为了更准确地建立结构的有限元模型。结构的原模型参数和实际结构存 在一定误差，必须根据试验结果对原模型进行修正，才能进行更深入的研究。如果结构发生损伤， 5 基于不完备测量的结构损伤自适应追踪技术研究 结构未损模型已经不能适应新的测量结果，修正模型过程中发现不准确的部分也就意味着损伤的 发生。模型修正法属于数学上的反演问题，由于测量模态较少，方程数目少于未知数的个数，只 能通过添加约束方程来求解。当同时使用固有频率和模态振型时，目标方程常表述为残余力方程。 模型修正法与系统识别法，这种方法的基本思想是利用动力试验数据( 通常为模态参数或加速度 时程记录、频晌函数等) ，通过条件优化约束，来不断修正模型中的刚度分布，通过被检测结构 中任意观测到的局部刚度下降判定损伤的位置和程度。这种方法在划分和处理子结构上具有很多 优点。由于模型误差、测量噪声以及土木工程结构可测得的动力特征对局部刚度变化不敏感等因 素的存在，使得此方法在实际应用中受到限制。模态试验测得的模态信息总是不完备的，导致了 特征方程求解中的亚定问题。解决数据和模型的不确定性，有效的方法是用统计推断的方法，如 贝叶斯统计的方法。针对这些问题，一方面可以考虑利用动边界条件进行子结构模型修正以减少 未知数的方法，另一方面可以通过良态建模、合理化分子结构以及最优布置来获取最大的信息量 予以解决1 4 1 j 。 遗传算法是模拟生物进化理论的一种优化算法，它与传统的优化算法有很大的不同，它是以 设计参数的编码( 二进制数) 进行操作，而不像传统的优化方法直接对参数进行优化操作；最优 解的寻找是从一个设计的群体中产生的，而不同于传统的设计方法中只寻找一个设计点；遗传算 法是基于概率分布准则，不同于以往的确定性准则。f r i s w e l l 等人利用遗传算法确定一个结构中 一处或多处损伤的位置，并对这些位置上损伤的程度进行估计。m a r e s 和s l l r a c e 提出了利用遗传 算法的在弹性结构中检测损伤的方法，将残余力的概念用来确定优化过程的目标函数。遗传算法 只需计算各可行解的目标值而不要求目标函数的连续性，不需要梯度信息，并采取多线索的并行 搜索方式进行优化，因而不会陷入局部最小，且使用方便，鲁棒性强。k 砒等【4 2 】采用局部搜索 的遗传算法，通过测定激励和响应来决定结构参数进行识别。易伟健等【4 3 】引入遗传算法处理试 验得到的动力信息对结构的损伤进行诊断，提出了多父体变量级杂交和变量微调等新的改进措 施，并应用于固端梁、连续梁和框架等多个结构的损伤诊断，取得了满足工程要求的结果。 人工神经网络是对人脑或自然神经系统若干基本特征的抽象与模拟，由大量神经元广泛互连 而成。人工神经网络以其处理信息的并行性、自组织、自学习性、联想记忆功能以及很强的鲁棒 性和容错性，广泛应用于许多领域。应用人工神经网络的结构损伤诊断方法不需要结构动力特性 的先验知识，具有损伤诊断非参数的优点。神经网络具有很强的非线性映射能力，特别适合于非 线性模式识别和分类，能够滤出噪声或在有噪声情况下正确识别，在这一点上，比模型修正法和 信号处理法适用范围更广。基于神经网络的结构损伤方法在损伤识别中应用的关键问题是输入参 数的选择问题，研究人员已经利用各种不同的结构参数或响应成功地对结构的损伤进行了识别， 这些结构参数或响应包括固有频率、模态振型及阻尼等结构参数，位移和应变响应以及他们的组 合参数。 6 南京航空航天人学硕士学位论文 国内外学者已经在数据处理方面做了大量研究，提出了许多分析方法，然而，上述方法大部 分是在频域范围内对振动信号进行分析，而且有的方法( 如遗传算法、神经网络等) 需要的运算 时间比较长，不能满足实时、快速监测的目的。目前在时域分析方面比较常用的方法是卡尔曼滤 波方法和最小二乘方法。卡尔曼滤波方法因其同有缺点在实际应用中受到限制，而最小二乘理论 已经成为当前参数估计的理论。2 0 0 6 年，美国加州大学i n r i i l e 分校的y 钿gj n 教授等又发展了该 理论，提出了一种新的振动信号分析方法序贯非线性最小二乘方法【2 6 】( s e q u e n t i a ln o n 1 i n e a f l e a s t s q u a r ee s t i i m t i o n ，简称s n l s e ) ，该方法是在最小二乘方法的基础上，对现场地震记录用 n e w m a r k 一方法进行状态转换，得到系统的状态向量表达式，从而使测量信号大大减少，并且 通过对认s c - a s c eb e n c h m a r k 模型、非线性弹性模型以及迟滞结构模型的仿真研究，证明该方法 在结构参数辨识和损伤监测中的有效性。但该种方法需要所有的激励和响应信号才能够识别系统 参数。 1 4 本文的主要研究工作 本文的主要研究工作是对带未知输入及未知输出的自适应的序贯非线性最小二乘法 ( a s n l s e u i - u o ) 脚】进行研究，该方法关于未知条件的必要性条件已经给出，但充分性条件， 即需要多少未知输入及未知输出才能有效地识别出系统所有自由度参数，在之前文献中并朱提 出。本文提出对结构参数相关的数据矩阵进行秩分析来确定a s n l s e u i u o 方法关于未知条件 的充分性条件，并用仿真及实验加以验证，最后结合模型缩聚方法讨论秩分析确定充分性条件 的有效性。 1 5 本文的内容安排 本文第一章简要评述了结构健康监测的研究概况、健康监测中数据处理技术的发展概况、 以及健康监测系统的基本组成。 第二章首先给出了带未知输入及未知输出的自适应序贯非线性最小二乘法推导过程，然后 给出了求取结构参数相关的数据矩阵的秩来确定该方法充分性条件的方法。 第三