（安全技术及工程专业论文）基于模态参数分析的井架结构损伤识别研究.pdf

垒! ! 苎= ! ：垦垒竺! d a m a g e d e t e c t i o ni nd e r r i c ks t r u c t u r eb ym o d a l p a r a m e t e ra n a l y s i s a b s t r a c t m o d e r np r o j e c ts t r u c t u r e sa r ep r o c e e d i n ga tt h ed i r e c t i o no fm a x i m i z a t i o nc o m p l i c a t i o n a n da u t o m a t i o n t h ec o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t so fs e r v i c et h r e a tf u n c t i o n a l s a f e t yo ft h e s t r u c t u r e m o r e o v e ri nt h er e a l l i r em a n yd i s a s t e r ss t r u c t u r a le n g i n e e r i n ga c c i d e n to c c u r r e n c e i n i t i a t e st h ep e o p l et h e ”h e a l t h ”q u e s t i o nw i d e l yp a y sa t t e n t i o nt ot h es t r u c t u r e t og u a r a n t e e t h es a f e t ya n da v o i dd i s a s t e r , t h es c h o l a r s ，e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n sa r ep a y i n ga t t e n t i o nt ot h e r e s e a r c ho fj d e n t i f i c a t i o nf o r t h ed a m a g eo fs t r u c t u r er e a l t i m e l y , o n 1 i n ea n da c c u r a t e l y t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e st h et e c h n o l o g yo fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o nd o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ，i n t r o d u c e de a c hk i n do ft h e o r ya n dt h er e s e a r c ht e c h n i q u e f o rs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n a n dt h em o d ep a r a m e t e ra n a l y s i sc a r r i e so nt h es t r u c t u r a l d a m a g ei d e n t i f l c a t i o nt ot h ep e t r o l e u md e r r i c ks t r u c t u r ef o rt h et e c h n i e a lr e s e a r c ha n dt h e a p p l i e dr e s e a r c h ；b a s e do nt h em o d a lp a r a m e t e r s ，i td i s c u s s e sm o s t l yt h et h e o r ya n dt e c h n i q u e o ft h ed a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rs t r u c t u r ew i t ht h ef l e x i b i l i t yd i f i e r e n c em e t h o da n dc u r v a t u r e m o d a lm e t h o d t h e np r e s e n tt h ei d e ao fd a m a g ei d e n t i f i c a t i o nf o rs t r u c t u r ew i t hf l e x i b i l i t y d i 仃e r e n c ec u r v a t u r em e t h o d t h ea p p l i c a t i o no ft h et h r e ed a m a g ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s a b o v ef o rt h ed e r r i c ko fd r i l l i n gr i g ，c o n f i r mt h a tv a g u eo rw r o n gl o c a t i o nw i l lo c c u ri nt h e d a m a g el o e a t i o nm e t h o db a s e do nf l e x i b i l i t yd i f f e r e n c e ，a n dt h ec u r v a t u r em o d a lm e t h o dn e e d n o tr e l yo nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e rb e f o r et h ed a m a g e ，b u th a st h eh i d d e nt r o u b l eo fv a g u e l o e a t i o nf o rs m a l ld a m a g e i ts t u d i e sa n dp u t sf o r w a r dt h ef l e x i b i l i t yd i f i e r e n e ec u r v a t u r e m e t h o d ，a n dm a n ys i m u l a t e dd a m a g ee x a m p l e ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sn o t a b l ea d v a n t a g e s s u c ha s h i g hd a m a g ei d e n t i f i c a t i o ns e n s i t i v i t y , s t r o n gr e l i a b i l i t y , a n d v i s u a l i z a t i o na n d s i m p l i c i t yi na m o u n ta n dg r a p ha n a l y s i s t h eu s eo fc e n t r a li n s e r tl a wf o rm o d a lp a r a m e t e ri nt h ec u r v a t u r em o d a la n df l e x i b i l i t y d i f f e r e n c ec u r v a t u r em e t h o dc a ns o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd e c r e a s i n gm e a s u r ep o i n t s a n dt h eg u a r a n t e eo fi d e n t i f i c a t i o np r e c i s i o n ；d e v e l o p e dt h eo p e r a t i o nu s i n gm a t l a bs o t t w a r e a n dt h ee x c e lt o o la n dc o l l e c t st h ec h a r tp r o c e d u r e ，a sl o n ga sl o w e rs t e pv i b r a t i o ns h a p ea n d f r e q u e n c yr a t eo ft h es t r u c t u r ea r ei n p u t ，t h ev a l u ea n dt h eg r a p h i cr e p r e s e n t a t i o no fd a m a g e i d e n t i f i e a t i o nw i l lb eo b t a i n e d k e y w o r d s ：m o d a lp a r a m e t e r ；d a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ；c u r v a t u r em o d a l ；f l e x i b i l i t yd i f f e r e n c e ； f l e x i b i l i t yc t u v a t u r e i l 人庆t i f i l l ： 7 ：院坝i ：, f o f 究生学位论文 1 1 选题的理论意义 第1 章绪论 随着大型工程项目的实施以及现实生活中许多灾难性结构工程事故的发生，引发人 们对结构“健康”问题的广泛关注，结构的损伤检测已经成为工程界和学术界研究的热 门课题。利用结构的动力反应或模念参数的变化，采_ f 1 ：i 参数谚 别方法确定结构的损伤位 置和程度，也是现代结构安全性检测理沦研究的前沿课题。对石油钻机井架结构的损伤 诊断，长期以来人们习惯于用静力的观点考察结构的性能，用静力实验来考察结构的承 载能力、安全储备和可靠性。但是，静力实验的设备笨重，实验时问长。影响结构的正 常使用，还可能对结构造成新的损伤。静力实验时只能抽样检测，不可能对所有的结构 构件进行检测，山于结构损伤分布的随帆掌k ，用静力检测难免发生漏检，对结构的安全 评价难免造成隐忠。此外传统的诊断方法还都局限于结构构件上，若就结构整体而言， 目前研究得还比较少。结构损伤检测珂f 究中，得到普遍认同的一种最有前途的方法就是 结合系统诌 别、振动耻沦、振动测试技术、信号采集q 分析等跨学科技术的实验振动模 态分析法。 石油钻机井架、修井机井架由于多年在野外恶劣的环境下长期使用，承受几十吨到 上百吨动载荷的多种载j ； 作用，随着删役时间的增长，产生局部或整体损伤等缺陷，成 为安全生产中的事故隐患。井架失效例塌事故时有发生，造成人员伤亡和国家财产的重 大损失。因此，油田每年都要对达到或接近使刚寿命年限的和状况不好的井架实施安全 检测与承载能力评定。目前检测主要采用应力测试与计算机仿真的方法有一定的局限 性。研究科学、简捷、适用的检测方法与技术，提高石油井架承载能力检测与安全评价 水平，具有一定的学术价值和重要的实际意义。 本课题的研究与工程实际密切结合，致力1 ：觚决日前石油井架领域中上待解决的问 题。通过对井架结构的模态分析，利朋已有的结构理论来检测实际丁= 作中石油井架结构 的损伤情况，这将对石油井架安全评俩系统矬论走f 匈细致化和深入化具有重大意义。 1 2 结构损伤识别技术的分类 结构损伤识别技术可分为局部损伤谚 别【l o c a ld a m a g ei n d e n t i f i c a t i o n ) 技术和全局 损伤j , 嬲j j ( g l o b a ld a m a g ei n d e n t m c a t i o l l ) 技术。局部损伤识别技术主要用于探测结构的局 部损伤。该技术又分为两类：一类是利用染色渗透、x 射线、r 射线、光干涉、超声波 和电磁学监测等技术对结构的某些局部进行定期检查。染色渗透技术是对结构的局部表 面进行涂层，涂料则渗透到裂缝艰，观察表面就可以发现表而的裂纹；x 射线、r 射线 探损技术是利用构件的x 射线、r 射线照片进行损伤识别：超声波技术是向构件发射高频 声波并测量折射情况，从而识别出结构的损伤或复合材料的分层或其他损伤；电磁学检 测技术是利用涡流和磁场的原理进行识别结构的损伤和复合材料的分层【l 】。这类技术在 建筑、航天和船舶等领域有着广泛的应用1 2 - 5 。但这类技术在应用上有很多限制和弊端： 一是对一些不可见、不丌敞的部件难以监测；二是对一些大型结构( 特别是比较复杂的 大型结构) 检测其损伤往往是不可能的；三是这类技术要求监测人员必须到现场才能进 行检测嘲。可见，该技术适宜小型结构的损伤检测。另外，一些结构的在线检测亦无法 实施。例如，要求发电机组停i 忙运转f i 勺情况下进行测试，这是非常不经济的，甚至无法 做到。于是，另外一种局部损伤识别技术出现了。这种技术把传感器( 如应变片、光栅、 加速度传感器等) 固定在一些重要部件上，从而对这些部件进行远距离在线检测。该技 术在航空航天、化工改备、公路桥梁1 - i ：术建筑上有很广泛的应用，其优点是可以直接 确定构件的裂纹及其位置。对于压力容器、机翼和油箱等小型有规则的结构，局部损伤 识别技术是很好的识别方法，但对于大型、复杂的结构，这种技术用来检测结构的每一 部分是不可能的。因此，局部损伤识别技术仅用于检测结构的特别部件1 7 】。 为了解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题，在多学科交叉渗透的研究 成果基础上出现了许多全局识别技术。众所周知，任何结构都可以看作由刚度、质量、 阻尼矩阵组成的力学系统，结构旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而导致系 统的频响函数和模态参数( 固有频率、阻尼和振型等) 的改变，所以，结构的模态参数 的改变可视为结构早期损伤发生的标志。利用损伤发生日 f 后结构动态特性的变化来诊断 结构早期损伤的方法，从理论上来讲，其优点是可将外界因素作为结构的振动激励源， 损伤检测的过程不影响结构的正常使用，能在线完成结构早期损伤的检测和识别。对于 大型结构( 如航天器、桥梁、高耸建筑和人型发电机组等) 损伤随时都有可能发生，而 且有些结构的损伤裂纹扩展很快，故要求损伤谈别技术能及时发现并作出预报，这砸是 全局损伤识别技术的目的。 基于动力特性的结构损伤识别动态检验方法长期以来一直是学术界和工程界关注 的热点问题之一。结构动态检测方法同传统的无损检测技术( 如x 射线探伤法、超声波 探伤等) 相比，具有信号易于提取、探测器可以安装在人们不易接近的构件部位( 或者 遥测) 、操作起来简便快捷、经济等优点。该检测技术可连续或间隔的对结构进行检测， 并可用来指导对损伤可疑部位的评估，提高检测效率。这吸引国内外许多研究领域的学 者、专家投入到这方砸f 的研究二【作之小j 圳。通过火量的理 仑与试验研究，提出了多种结 构损伤的检测技术。 对于石油井架结构，整体检测技术可分为静念检测方法和动态检测方法两种。静态 2 查丛! ! i j ：! ! 窒堡! ：! ! ! 塑生堂堡堡兰 检测方法是对井架结构进行静态试验，登测与结构性能有关的静力参数，如变形、挠度、 应变、裂缝等，通过对这些参数分析可鼠接判定结构的静承载能力，并得出结构的强 度、刚度及抗裂性能。动态检测方法楚羽井架结构进行动力荷载试验，研究结构的动力 性能，动力性能是判断在用石油井架使用状况和承载能力的依据。传统的检测手段可以 对并架的外观以及某些结构特性进行嗡测。检测的结果一般也能部分地反映结构的当前 状态，但是却难以全面反映井架的健康状况，尤其是难以对井架结构的安全储备以及退 化的途径做出系统的评估。此外，常伽的检测技术也难以发现隐秘构件的损伤。于是近 年来，人们一直在寻找一种能适川t - i 复杂结构的整体探伤评估方法，目前得到普遍认同 的一种最有前途的方法就足结合系统i j 别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析 等跨学科技术的试验模态分析法。这种方法存发达围家己被广泛运用于航宅、航天、精 密机床等领域的敌障诊断、载荷口 蜊和i 动力学修改等问题之中。围绕这个思路近年来入 们提出了许许多多的结构整体检测方法，从研究和应用的角度看，这些方法大致可分为 模型修币法和指纹分析法两大类。 模型修正法在健康监测中主要用。j j 把试验结构的振动反应记录与原模型计算结果 进行综合比较，利用直接或间接测知的模型参数、加速度时程记录、频率响应函数等， 通过条件优化约束，不断修难模型! i i4 ：, , j i 1 4 j l 邓j 度分布，从而得到结构刚度变化的信息，实 现结构的损伤识别与定位。这种方法在划分和处理予结构上具有很多优点，但由于测试 模态集不完备、测试自f 1 1 度不足以及测试噪信比高的原因，很少能给出修正所需的足够 信息，易导致解的不唯。同时采_ h = j 1 传统方法进行参数估计时易产生病态方程。针对这 些问题，一方面可以考虑利用动边界条件进行予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、合理划分了结构以及最优测点布置来获取最大信息量进行鳃 决。目前该方法仍在研究之中。 结构整体监测的另一类方法就是寻找与结构动力特性相关的动力指纹，通过这种指 纹的变化来判断结构的实际状况，进 损伤以别。通常用到的动力指纹有固有频率、振 型、位移模态柔度矩阵、应变模态i f l l l 率模态、功率谱、m a c ( 模态保证标准) 、c o m a c ( 坐标模态保证标准) 指标等。大量的模型和实际结构试验表明：结构损伤导致的固有 频率变化很小，而振型( 尤其是高阶振删) 虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确量测 比较团难。m a c 、c o m a c 等依赖j 振型的动力指纹都遇到同样的阉题。振型曲率、 应变模态则在传统的低幅值振动测试- l 变化量量级过小，难以起到有效的判别作用。这 类方法的成功应用将有待于寻找新的功力指纹。w d 分布( w i g n e rd i s t r i b u t i o n ) 在信号处 理上具有灵敏性与稳定性，也许在时频域上带来有益的启示。 固有频率虽是模念参数中最易狄彳 j i 的一个参数，且识别精度较高，但它是全局量， 因而对结构小损伤不十分敏感，往, t i - j 能发现损伤，却不能确定损伤的位置。这是因为 不同位黼的损伤可能引起牛h 矧麟f 向频率变化。丛j 二振删变化帕损伤识别技术在应用中面 3 临着测量扳型不完整和噪声影响的闯题，虽然高阶振型对结构的局部剐皮较敏感，但精 度难于保证。m a c 和c o m a c 依赖于振型，故将面临同样的问题。柔度矩阵可由低阶 位移模态得到较准确的估玑结构拟伤将导致结构局部柔度的增加。p a n d e y 9 l 认为，根 据柔度变化应能够定位结构的损伤。 研究结果表明，结构的曲率模态振型对于结构的损伤比较敏感，对于损伤定位也较 准确。近些年，国内外学者对它进行了些研究。1 9 9 1 年，p a n d e y 。0 1 等人通过研究计 算，分析了曲率模态的变化与损伤的关系；清华大学邓焱【1 1 1 2 】等人也做过类似的工作， 并通过对位移模态做差分计算求得曲率模态。 1 3 结构损伤识别的国内外研究状况 1 3 1 基于固有频率变化的损伤识别技术 在2 0 世纪7 0 年代，文献 1 3 - 1 5 】就jr 始研究结构自振频率和损伤的关系，到八十年 代中期，提出了一一种确定损伤位置并估计其损伤程度的方法，损伤位置是通过实测自振 频率来确定的。 文献 1 6 1 7 】由结构运动方程的摄动方程 【( k + k ) 一( 脚2 十a 脚2 ) ( w + a 时) 】( m + 巾) = 0 ( 1 - 1 ) 仿照瑞利熵的形式定义自振频率 珊b ! i ! ! ! 尝! 垒蚴 ( 1 2 ) j $ lm 币| 利用单元损伤系数口。推l i j “频率变化平方比”是结构损伤程度和位置的函数，只 要通过试验测出其一系列频率和振型，利用浚系数就能得出结构损伤的程度和损伤发生 的大致区域，文章通过数值模拟，证明了利用该参数对钢桁架结构的微小损伤进行识别 效果显著。 f a b r i z i ov e s t r o n i 等人在文献 1 8 】巾通过振动的偏微分方程推出方程特征值是结构损 伤位置和程度的函数 x ? ( s ) = ( ，s )( ，= 1 , 2 ，) ( 1 - 3 ) 式中，x ，s 分别表示损伤程度和位管向量；r 表示裂纹或损伤数。通过悬臂梁和连续 梁的振动试验，由结构损伤前后的最小频率羞和理论自振频率相比较，定性的判断梁损 伤的程度和位置。 4 地，沪椭砂? 一甜唾。 ( 1 4 ) 叁丛尘塑：兰堕塑! ：业塑兰堂丝堕苎 9 0 年代至今，中外学者提出了f - i ：多结构损伤识别的方法，并通过实例验证方法的可 行性和适用范围，为后续者进一步研究提供了宝贵的财富。 1 3 2 基千位移、应变模态参数变化的损伤识别技术 文献【1 9 】推导 f i 关1 二结构应变的阶变分关系，从巾揭示出结构损伤定位的合理方 案。并发现：用于损伤定位的物理量必须足局域量，且需满足2 个基本条件：1 ) 对局 部损伤敏感；2 ) 是位置坐标的单调函数。对于大多数模态。在局部损伤位置应变模态 差有明显的峰值，且峰值人小随拟仂张度的增j j j l i f i i t 曾j j l l ，因此，基于应变模态差值不仅 可进行局部损伤定位，而且可标定拟伤的程度。与基于位移模态差值的损伤定位方法相 比，设计合理的分类准则可确保基于应变模态差值的损伤定位方法原则上不存在误定位 的问题，而具有最简拓扑结构的i j i 向j ；i l 经阿络可自动提取这些准则。 文献 4 5 】介绍了实验应变模态分析原理与方法，给出了应变模态的表达式及应变传 递函数矩阵的特点和测量方法 e ( c o ) ) = 1 ( ) 】 f ( c o ) ) ( 1 5 ) 式中， e ( c o ) ) 为应变模念； 厂扣) 为外部激励力的傅立叶变换； h 5 ( c o ) 】为应变传 递函数矩阵，其元素厅：。的物理意义为p 点激励时，q 点的应变 n = j = l p 圣m 七。( 1 一掣“，瑶旦) 出甜 其中，九为第一阶振型的p 个分量； 咖参弘圭饕 ( 1 - 6 ) 式中，k ，m ，c ，分别是渺r f k 】 庐】，【妇” 肘】【们，【庐r 【c 】眵】的第i 个对角线元 素。当结构出现损伤时，损伤附近的隧域将产生较显著的应力重分布，因此必将引起应 变模念的较大变化，对比损伤前后各阶心变模念，可以判断损伤的位置。 对于大多数模态，在埘部损伤化谢心变模态差值柯i i j j 显的峰值，且峰值大小随损伤 程度的增加而增加( 各阶应变模态的变化是不一样的) 。因此，基于应变模态差值不仅 可进行局部损伤定位，而且可标定损伤的程度。 文献【2 0 】根据结构应变模态叠j j l i ；i j ：q ! ，以怂臂板为研究对象，利剧i t d 法进行实 验应变模念分析，通过捉墩反映板结构裂纹敝障存在及其位霄的特征，建立相应的模式 识别向量及特征| f l j 量，进l n 衍叫j l i 5 3 ；一r 。 l i ，l 川t 技术，实现板结构裂纹位簧的以别。 文献【4 5 】介绍了实验应变模态分析原理与方法，给出了应变模态的表达式及应变传 递函数矩阵的特点和测量方法，当结构现损伤时，损伤附近的区域将产生较显著的应 力重分斫i 因此必将0 i 起应变模态的较人变化，对比损伤前后各阶应变模态，可以判断 损伤的位置。 文献 9 】对以应变类参数( 应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法和 以位移类参数( 位移、位移模态、柔度9 、i ! 阵等) 为基础的损伤定位方法的相互关系和本 质特征进行了系统的阐述，指出后者在圳论f ：存在错误定位的隐患。 文献【2 7 】建立了结构应变矢量和结车句应变模念矩阵、结构自振频率矩阵、结构位移 模态矩阵三者之阃的一阶变分关系，从r l t 揭示出无模态状态下结构损伤识别和定位的合 理方案。 文献【2 8 】把应变表示为位移振动模态的函数，采用变化率的方法进行结构损伤识别。 1 3 3 基于应变能的损伤识别技术 文献【2 1 】阐述了结构裂纹位簧i , j 9 1 t l f l , s 模态应变能法。首先采用有限元方法分析了裂 纹位置及深度对结构固有频率的影响，绘制了固有频率的改变量随裂纹位置的变化曲 线，并且将浚曲线与有限元分析获得的模态应变能分布曲线及应变模态振型进行了对比 分析，然后利用结构固有频率的改变对裂纹位置进行识别，讨论了不同的单元划分和不 同模态阶数对裂纹位置识别的影响，剥怂臂梁结构测试例子的分析表明，浚方法能较好 的识别具有单个裂纹结构的裂纹位置。x i 挑 3 8 3 9 1 基于单元模态应变能概念提出了利用 单元模态能量变化率进行结构破损定位、山单元破损系数确定破损程度的识别方法。 驴击善羔 7 ， c f ) - b 。口q ( i - 8 ) 式中，m 为模态数；r 为第j 个单j 第i 阶模态的单元模态应变能变化率；q 为应 变能变化量；口。为待定单元破损系数。这种方法对模念法假定做出修改，认为结构破 损与质量无关，仅用低阶模念就能进行破损识别，减少了模态截面对诊断结构的影响。 1 3 4 基于柔度变化的损伤识别技术 文献 2 2 】通过自吲结构损伤f m 厉梁业删咋的改变，对氘跨连续梁桥进行了损伤诊断 研究。数值模拟结果表明，当结构损伤何霄较少时，该方法不仅能探测结构损伤的出现 和位置，而且还能对损伤程度做出大概的判断。文献【2 9 】利用试验获得的一阶模态参数， 提出了一种桁架结构损伤i , j 另1 1 1 i 4 j 柔度| j l j 浊，结构损伤后引起柔度阵发生改变，从结构振 动特征方程 i l 发，刈柔_ i j l ：阵作灭j ：结构物删参数变化量的一阶泰勒展，l ：，可以确定结构 6 叁丛! - 坐! 些塑! 型! 堑竺竺丝堕兰 物理参数的变化量，谚 别结构拟伤部1 一及损伤祀! 度。义献【3 3 】研究了利用测量稳态柔度 矩阵米识别结构损伤的理论方法，捉t $ 0 y h 柔度矩阵进行模型修正的方法可确定结构 损伤的位簧和程度，但其i j r 抛魁黼矬、：结构的钶1 5 f i i 元分析模型。 1 3 5 基于振型变化的损伤识别技术 文献 3 1 讨沦了懋索桥加劲梁州, 。i jj 。 1 1 损伤口拗j 。以别基于比较完好桥的初始指纹与 损伤后的指纹。使用了二i 个基于i ；r i 。的波形识别指标：w c c ，j 。0 ，。，与三个基于振 型的识别指标：，。，柔度神l l l p ：q l c ! 念，作为指标米识别悬索桥加劲梁的模拟损伤， 并比较了他们的以刖能j 。绌小& 川：w 【：( ：和，。，u j j j 损伤n 勺能力优j ，。但都不能 定位损伤；柔发相川| | 牢模念u 湖j jf j i ；j ：，。，3 1 ：可以定位损伤。孩文还发现应变 模态具有较好的损伤识别能力。柔度、曲率和应变模念可用于安全监测系统。 1 3 厅基于神经网络的损伤识别技术 文献1 2 4 捉i i i 一 l l - ! i lj ：人i t i | l 经川络( a n n - a r “f - c i a ln e u r a ln e t w o i k ) 的柔性结 构损伤模式i j o $ l l 方法，将神经嘲络川做损伤校式的分类器。弓l 入通过对输入模式的增强 _ ) i 实现多种模式分炎的函数连接? f 4i l l i f , 删络构成拟伤模：r 谚 j ：；| j 方法。通过对柔性悬臂梁 结构的 _ c i ! 伤u ，j i j 尖验表lj j j ，i _ 幺：办划：返j i ij ：模= r 较少的场合非常有效，并且网络结构简单， 学纠逃皮伙。 文献1 2 6 j 利川结构化穆1 ! 态。 d d ：i ij 、t 变模，j j i = 验参数a m i q , 经网络方法刈结构损伤定 位和定量辨以问尴进行了圳究。为扶徘州结构坝伤业加敏感的结构损伤以别指标，在分 析现有谚 别指标的丛硎ii ：，抛r 川j i l | i 经删络力法的六种熬于结构模念试验参数的损 伤识别指标，- j l ：x , t “邑们进行了实例u ：i j 】j 年比较研究。它们均能对结构的损伤进行预报， 其i 成变类型的损伤泌 ； 桁畅i 刈结十幻捌f ，j 的敏感度比位移类型的损伤泌别指标高。 义献1 3 2 j - i j 实验模念分析。神l 哆1 4 络法川结什n 0 力法，训f 究了位移频j 嘞函数指标、 成变频响函数指标和模念蓟业笨指标北结构损伤定位辨l i 的灵敏性。 1 3 7 基于概率统计的结构损伤识别技术 文i t i _ | ：1 4 0 i 从统计学的m 艘捉| 1 ；j 7 慨矧墨域的判断分析法，将每一个可能的损伤状态 定义为一个随机总体，迎过i 叫蚶f 小刊何个总仆f i j l i 离米确定样本与l 郧个总体最靠 近，进i 酊埘拟伤域进行判l ：| ! i i ，越饥r 确) l - - i o i f ，j i ”i 数量l l , l 的丰观判断，减少了误判风 险。 文献 4 1 1 将损伤结构的变化看作足j 先好结构参数的摄动，从概率的角度进行损伤 识别，使损伤识别更科学，更其有实际意义。 此外，还有遗传算法【2 5 】、小波变换法1 m 1 、残余力向量法【3 0 1 、混合优化策略法f 3 5 】以 及模式识别方法【3 7 垧基于模型修诈理论的结构损伤检测方法【4 2 刮等等。 1 4 本论文的研究内容 本文通过分析结构损伤识别方法的铆f ：究现状和存在问题，将对几种常用的结构损伤 识别方法进行探讨，特别是对l 曲率模态法、柔度矩阵差值法和柔度曲率法的原理进行较 细致的描述，通过对j j l 6 0 4 1 k 型井架结构作损伤识别的数值仿真分析，以总结出一些 有意义的结论和一些需要进一步研究的m 题。 本文研究内容包括： ( 1 ) 沦述目前国内外利用几利一常川的结构损伤识别的方法进行结构损伤识别的理 论，为这几种方法的运用提供依掘，并给i 采用这些方法进行结构损伤识别的基本理论。 ( 2 ) 详细地论述了曲率模态技术理论基础，分析位移模态与曲率模态之间的关 系，并采用曲率模念对j j 】6 0 4 1 k 型j f ：架结构有限元模型进行仿真计算，文中将分三种 工况进行分析，研究和比较位移模念、曲率模态方法对于单一损伤位置和多处损伤位置 不同情况的诊断能力，以及不同损伤莉! 度对于结构损伤识别的影响等。 ( 3 ) 论述了柔度差值法进行损伤衫渤j 的理论与方法，并指出该方法其实际应用存 在错误判断的可能； ( 4 ) 应用柔度l i l j 率进行损伤谚 剐的理论与方法； 人庆石油学院硕- ：研究生学位论文 2 1 概述 第2 章结构损伤识别理论 对结构进行损伤识别，是近几卜年来随着土木工程研究理论的不断成熟和实际应用 需要而产生的一门新兴学科课题。它的主要内容包括对结构体系中是否出现损伤进行判 别及对已经出现的损伤定位和对损伤程度进行有效的判别，即通过对结构进行检测，以 确定结构是否有损伤存在，进而判别损伤程度和方位，以及结构目前的状况、使用功能 和结构损伤的变化趋势等，对山损伤引起的结构使用风险进行评估【4 6 】。 结构故障渗断主要包括三方面的内容：结构损伤识剐；结构损伤定位；结构 损伤程度的标定和评价。 损伤识别是进行结构故障诊断的基础，目前国际上关于结构故障诊断的研究多集中 在损伤识别的层次上；损伤定位是进行结构故障诊断的核心，也是问题的难点所在。目 前，关于损伤定位的探究多采用对简堆结构( 如悬臂梁、简支梁等) 预制裂纹进行验证性 的仿真试验和计算；结构损伤程度的标定和评价常常足对工程结构进行敞障诊断的目的 所在，因为：结构损伤程度的标定和评价是进行结构完整性评定及实施维修决策的基础。 损伤识别可分为基于模型( m o d e l b a s e d ) 的参数识j ；l l 和无模型( f r e e - m o d e l ) 的系统识 别两类。从逻辑上讲，要进行损伤以别和定位，首先需要解决的是损伤标识量的选择问 题，即决定以哪些物理量为依据能够更好地识别和标定损伤的程度和位置。一致认为： 用于损伤识别的物理量可以是全局量( 如结构的固有频率等) ，但用于损伤直接定位( 不依 赖于有限元计算模型) 的物理量最好是局域量，并且需满足四个基本条件，即： 对局部损伤敏感； 是位置坐标的单凋函数； 在损伤位置，损伤标识量应出现明显的峰值变化： 在非损伤位置，损伤标识量的变化幅度应小于预先设定的阀值1 4 ”。 损伤标识量可以足结构的物理参数( 如刚度知! 阼、质量矩阵、阻尼矩阵等) 或是模态 函数r 振型、频率等) 。 本章基于结构动力学理沦，采用多种损伤标识量，给出了结构损伤识别的常用方法。 2 2 基于结构固有频率变化的损伤识别技术 根据结构动力学理沦，结构损伤的存在，必然使系统结构组合发生变化，相应会影 9 笙! 垦丝塑堂塑! ! 型些堡 响到结构的动力响应特性，使得各种结构参数( 固有频率和模态等) 在不同程度上受到 影响，进而使结构显示出与正常结构相区别的动态特性。因此，根据结构系统固有特性 的变化来诊断结构的损伤，在理论上是有充分根据的。 对于n 自由度自由振动系统 【m 】扛) ”+ 【c 】扛 + ( k 】扛j ： o ( 2 一1 ) 其特征值由式( 2 - 1 ) 的特征方程求解得到 “足卜珊2 【肘吐】_ 0 】 ( 2 2 ) 旦结构出现损伤，结构的刚度、质量等会发生变化，从而使结构的自振频率发生 改变。因此，可以根据结构自振频率的改变来进行损伤识别。设结构的剐度和质量矩阵 【k 】，【m 】出现微小的变化【能】、【a m 】，则结构的频率2 和振型矩阵【】也将会有微小 的变化，令此变化为脚2 、 a 州，则式( 2 2 ) 可以写作 ( ( 【足】+ 置】) 一( 脚2 + a c 0 2 ) ( f ，】+ 【 f 】) ) ( 膨】+ 】) = 】 ( 2 - 3 ) 将式( 2 3 ) 化简，忽略二次项，可得 ：圈! ：! 竺螋】( 2 - 4 ) 叫7 【肼】p 】 对其中某一个振型坤。) ( f = 1 , 2 ，) 来说，给出 国? ：! 皇! ! 生整! ! 竺! ! ( 2 5 ) p 7 吖】 中。) 即频率损伤方程。 a k 。】表示第n 个单元刚度的变化，那么，式( 2 5 ) 变为 7 f a k 】 珊? = _ = 一 ( 2 6 ) 中，) 7 【m 】徊) 式( 2 - 6 ) 建立了结构刚度变化与结构特征值之间的关系。当只有第n 个单元损伤 时 1 0 耐= 勰 将特征值的变化定义为结构损伤位置与单元损伤程度的函数，有 a c o ? = 珊? ( ，功 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中，口。为一标量，表示n 单元的损伤程度，义【足。】_ 口。【x 。】，式( 2 8 ) 成为 人庆石汕学院硕。卜研究生学位论史 国? ：竺! ! 塑i 芝! 墼地! ! ( 2 - 9 ) o ，7 m 】p ，) 式( 2 9 ) 表示特征值的变化不仅依赖于结构损伤的位置。而且还依赖予结构损伤的 程度。取两阶振型对应的特征值为国? 及m ；，此两阶模态对应的频率变化比为 ( d ，r 【k 。】 m 。) 氅：璺! 攀叟! ( 2 - 1 0 ) 出；坤f k 。】冲， ( ( p 【m 】p ，) 式( 2 一l o ) 表明：结构任意两阶模态对应的频率变化比只是结构损伤位置的函数，不同 位置单元的损伤对应一组特定的频率变化比集合，根据结构损伤前后各阶模态对应的频 率变化比，就可以识别缔构的损伤位置。 利用固有频率的变化进行损伤识别的优点是：测试时，固有频率容易获得，且测试精 度比较高。但是，很多实践表明该技术在应用上有一些不足： 固有频率对结构早期损伤有时并不十分敏感，往往只能发现破损，很难确定破损 的位置；这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化。 虽然当损伤的位置在绱构的商应力区域时，利用固有频率的变化进行损伤识别比 较可靠，但是当损伤位置拍：结构的低应力区域刖，利用固有频率的变化将无法进行损伤 识别。 2 3 基于应变模态的损伤识别技术 对于多自由度强迫振动系统 【m 扛 ”+ 【c 】扛 ，十【k 】扛) = i s ( 0 ( 2 1 1 ) 设扩( ，) ) = 弘1 扣”，扛j = 陋知州，并由坐标变换解耦 = f f d l 矗) = q ，【巾】， ( 2 - 1 2 ) ，一1 则式( 2 1 1 ) 变为频域乃秘 ( - 功2 【i l l rj + 坼，】+ j c o c ，】 = 【巾r f ( 2 - 1 3 ) 其中：【m 】，【k 】和 c 】分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，扩( f ) 为载荷矢量；陋】 为正则化主模态矩阵，( q ) 为广义坐标； 所，】限】币l l c ，】分别为模态质量、模态刚度和 模态阻尼矩阵，且均为对角阵。由式( 2 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 可得 第2 章结构坝伤识q 理论 “ = 陋k p f ) ( 2 - 1 4 ) 式中f 剑= d i a g ( o g ，脚；，脚：) 。 羞 = 耋： r n ，扣。巾，垂，7 善 c 2 一z 6 ， 其中 p ) = 【叫 q 代表 中】与沿轴向的积分，是 叫的函数( 不要求是常量) ，但不再 h = o 。 a u 盘 0 矿 劫 d 出 中】 中。，m ，中，】7 = f 三 1 t q ，c 中。，巾，巾j 。 茎。l ：j q 一巾巾w ri 2 j 凹】- 【一】称为正应变模态。式( 2 一l7 ) 可写为 占) 对结构参数交化f j 阶变分芙系为 降 = | 【础脾舯】，十m m 】睁】f 十一】【q 】 揶邢毋 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 弧一缸弧一砂帆一出 人扶“油学院坝i l 兜生学位论文 式( 2 - 1 9 ) 表明，山结构损伤丽导致的结构应变变化f & ) 主要由结构应变模态的变化 【钾】、结构自搬频率n 0 变化i o 翻剃结构位移模念的变化【揶】三者综合而成，因此，从 损伤识别的角度讲，基于【毋f 】，i d q 】或t 嘲的损伤识剐方法理论上都是可行的，差异 仅在精度方面。由于损伤是蚍型的局域行为，由s t v c n a n t 原理可以推知，损伤对结构 特性的影响程度依【卯】或【斑习的顺序递减，也就是说，基于【卯 的损伤识别算法的损 伤识别效果通常最好。从拟伤定位的角度讲，“ 于( 魔 和【洲? 】的变化在位置坐标上存 在一致的对应关系，因此，基二_ r 【, g p 的损伤定位方法理沦上存在正确定位的可能，而基 于 西 的损伤定位方法理论上则存在错误定位的隐忧。 式( 2 2 0 ) 1 i - i l l p a 看到，f 伊p 】，【a 嘲种【砷】均和外载f 没有发生直接关联，也就是说， 它在一定程度上反映结构自身的内禀属性。 设【】和 】分别为完好结构和有损伤结构的应变模态矩阵， 甲】： 一卜。【甲d 】， 以下重点讨论基于应变模态矩阵变化的损伤定位的具体方法及存在的_ c 囝题和改进措施。 常用的一种损伤定位方法魁基于辑f 关原删的，式( 2 2 1 ) 表示 ，否眦，1 ，1 ( 2 - 2 0 ) 烈约2 商赢丽 其中f 。甲】为一f 1 的第j 阶模态对应于坐标k 的分量最可能的损伤位置位于坐标k 处。 构件的损伤会导致结构局部刚度的下降，结果使损伤部位领域的应变分布发生显著 变化。根据s t v e n a n t 原圳，距损伤部位较远处的结构成变分布变化迅速衰减，因此， 可以推测，式( 2 2 1 ) 的定位效粜优j - ( 2 2 0 ) 的定化效果 ，) ) + = m i n p ( k ，) ) p ( k ，) = f n i n 厅两面万一 、4 胖l , j 2 1 【。甲】 v i = ki = k ( 2 - 2 1 ) 、，j_r_j_、r_j1_-_-_j 甲 i 弗2 带站构拟协皓 别耻论 其中笠表示对坐标k 及其邻域占( t ) 中的其它坐标求和。式( 2 2 1 ) 实际上可分解为两 步： 根据第j 阶应变模念的信息确定最可能的擐伤位嚣p ( 七，j ) 。 根据各阶应变模态的信息最终确定最可能的损伤位置p ( k + ) 。 试验与计算结果表明：根据各阶应变模态的信息。确定的最可能的损伤位置不一 定完全一致。式( 2 2 1 ) 采用扳元素p ( k ，) 的大小作出最后的决定的方式，还有一种比较 合理的抉择方式是，对根据各阶成变模态的信息确定的初步定位结果进行排序，并根据 其序号，采用k n 表决器，即少数服从多数的原则决定最终的p ( k ) ；基于p ( k 。) 的损 伤定位方法的定