（固体力学专业论文）基于多模态参数结构损伤识别方法研究.pdf

洗鞲j ：逝大学颥士学侥论文 攘要 皱稳损镑谈剃燕个发溪越媛广潮髓褥究领域，零文研究髓戳结梅多菠态参数作为 零经隧终输入送行掇伤识别瓣方法物理意义嘲镶，霭袋溅敬的横态除数鹱少，弱予在_ i 摆实醛孛实藏，蒸薅i 邂秘方法遭瓣予一般二 糕结秘。 考感到强蠢频率够反映绥搴鼋靛整然惶魏，毽对缨羧中髑灌微躐臻傍瓣识掰枣灵 壤，在豢多情嚣下，终麓中不麓爱羹浆攒黪引起熬精橡爨羚频率下戮l 乎糖潮，麓鼗臻 颧攀参数锻雉礁礁确定缭掏损伤鬣甏。穗 g 之下，瀛篷数据对绣橡蕊精郯损搦黉院频率 辍感瓣多，缓又蕊稳蓉灏试鞲瘦托霹青灏率羝，释蓊造箴识鬓臻繁误整潆太。掰耱，逸 释什么样鞠参数作为神缀掰络豁输入翔鬣，感接影响潮络豹谈澍魏力。本文采爝了额率 霸羰燮瓣缀合参数髂为随络戆输入参数i 燕嚣损伤谈翘，与鏊予攀猿应爝颓搴稻缀受为特 征翔量魏搏经姆络壤擒损伤嫒裂方法耀地，其蠢较高粒攒揍议舞鞠定袋鼹嶷。 零文建立了麓支镳翁混凝粱戆a n s ￥s 数纛漤凝帮糖残瓣锪璎搂型，势基予叛羲 摸杰淡试璎谂攀骞法，在壤骚蜜遴牙了藜鹑攒蠢试验。巍了数验篓耱诊傻避谂蹲黪垮撩 鹰载德嚣、攒臻撵囊蛉谈别力，竣诗了多缀援傍模攒方案。溺辩瓣该裂楚臻a n s y s 建立数蕊模墅莠避孬了摸恣分捺诗算，努瓣皴帮攀嚣稻瀑凝主擎露建立毒邂元攘豢，将 褥到嗣1 斑予犊锈蓊鑫豹多组合参数僚为磷络瀚输入，势帮爝改送豹b p 牵经弼络酾螽应 攀瑟速率方法柬粼戮结褐损嵇谴鞭稻程窿。识爨黪聚袋爨，基予雾模态参数鹣棒缀怒绦 溺予结构撰伤谈澍最阿簿鹣，其帮广“溺鳓应潮裁黎，瓣予预测评价建筑缀鞫豹健廉状况 褥蒜霄卡分夔要靛意义。丽时，谈方法蒸寿籁便、抉逮、薏损鹣傀点，其富鼠藩的经济 激懿帮享圭会效鼗。 荧蕤遴；戆稳攒巍，攒巍珏 瓣，裤经释络，然参数，豢隈嚣 ；宽鞘工监大学颟士学位论文 t h er e s e a r c ho ns t r u c t u r e d a m a g e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do i lm u l t i w m o d a lp a r a m e t e r s a b s t r a c t s t r u c t u r ed 3 q m r n i cd a m a g ei d e n t f i c a t i o ni sar e 蜊w c hf i e l dw i t hag o o d p e r s p e c t i v e 融t h i s p a p e r , t h em e t h o do fu s i n gt h es t r u c t u r em u l t i - m o d a l 攀l r a m e t e r sa st h en e t w o r ki n p u t si nt h e d a m a g ed i a g n o s i s h a sad e f i n i t ep h y s i c a lm e a n i n g ，e s p e c i a l l yt h a tm e a s u r i n gf e wm o d a l s t e p s t o m z k et h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ne a s i l y , b o t h t h e t h e o r ya n dm e t h o d 粼s u i t a b l e t ot h e a v e r a g e e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e c o n s i d e rt h ef a c tt h a tn a t u r a lf r e q u e n c yc a r tr e f l e c tt h es t r u c t u r ee n t i t yp e f f o r m m a c eb u t c a n n o tb es e n s i t i v et ot h es f f u c t u r el o c a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n 。i nm a n y c a s e s , s t r u c t u r ed a m a g e i nd e f e r e n t l o c a t i o nc a nc a u s ea l m o s tt h es a m ed e c r e a s ei nl o w f r e q u e n c y , s o t h i sm e t h o dc a n n o t a s c e r t a i nt h ed e f i n i t ed a m a g el o c a t i o n t h r o n g he o n t r a s t # m o d ed a t aa r cm o r es e n s i t i v e 协 s 拄u c t u r el o c a ld a m a g et h a nf r e q u e n c y , b mi th a st h eq u e s t i o nt h a tt h em e a s u r e da c c u r a c yi s l o w e rt h a nn a t u r a l f r e q u e n c y w h i c hm a k er 镂a f l t sh a v i n g b i g d e v i a t i o n 。s ot h es 蠢e c t i o no f i n p u t 辫糕舭姆鹅a f f e c t st h e i d e n t i f i c a t i o np e r f o r m a n c ed i r e c t l y 。秘t h i s 拶驴鹤u s i n gt h ei n t e g r a t e p a r a m e t e r so ff r e q u e n c ya n dm o d e 赫t h en e t w o r ki n p u tp a r a m e t e r st oi m p l e m e n td a m a g e i d e n t i f i c a t i o n + t h r o u g hc o m p a r e d w i t ht h em e t h o d u s i n gs i n g l ef r e q u e n c y o rm o d e ，t h i sm e t h o d m a y m a k e u p t h ed i f f i c u l t i e so _ , a u s e db yv i b r a t i o nr e v e r s e q u e s t i o n s i nt h i sp a p e r , a n s y sd a t am o d e la n d c o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lm o d e la r eb u i l ti ns i m p l e c o n c r e t eb e a mb a s e do n t h e o r y a n dm e t h o do f s t r u c t u r e d i a g n o s i s a n dm a d ea e n ) e r i m e n t 。融 o r d e rt oe x a m i n et h e d i a g n o s i sa b i l i t yo f d i a g n o s i st h e o r y , m a n y k i n d so f d i a g n o s i sd e s i g n sa r e p u t f o n 醋a r d a tt h es a m et i m e , u s i n ga n s y s 稔b u i l dd a t am o d e lt om a k e a n a l y s i sc o m p u t i n g , u s i n gs h a f tn e ta n d c o n c r e t en e tt ob u i l da n s y sm o d e lt oh a v et h ec o r r e s p o n d i n gi n t e g r a t e b e f o r e 越避a f t e rt h ed a m a g e , a n d 戳逊gs u i u t b l ei m p l o r e db pn e u r a ln e t w o r kt oa s c e r t a i nt h e d a m a g e l o c a t i o na n de x t e n t 。t h er e s u l t si st h a tt h en e u r a ln e t w o r k a p p l i e d i ns l m c t u r ei sf e a s i b l e a n dh a v eg o o da p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e t h eh e m a lr 瓣v o r k sa r et t t o 摊a n dn 技 辩i m p o r t a n ti n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l y i n f o r e c a s t h l gb u i l d i n gh 碟t h ys t a t e ，ka d d i t i o n , t h i s m e t h o dh a st h ef e a t u r e so f s i m p l e , r a p i d ，1 t 0d a m a g ea n dh a sg o o de c o n o m i c a la n ds o c i a l a d v a n t a g e s k e y w o r d s ：s t r u c t u r e d a m a g e , m o d a li d e n t i f i c a t i o n ，n e u r a ln e t w o r k s ，m o d a lp a r a m e t e r , f l n l f ee l e m # n f * 2 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取缛的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注琴日致谢的地方 外，论文中不包含其能人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工 乍的鬻志对本研究所傲静任何贡献均已在论文中徽了鞠确静说明并表 示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了簸沈鬻工业大学有关保留、使熏学位论文鳇援定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 傈密的论文在解密后应遵循诧飙定) 签名：鹚导师签名： 日期：逊：三= h ! 沈r 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 本课题是辽宁省教育厅基金课题“基于神经网络智能诊断方法研究”的一部分。工 程结构在使用过程中，由于自然灾害或年久失修不可避免地将要产生微小损伤，微小损 伤的不断积累发展，损伤逐渐加重，从而使结构的安全受至0 威胁。没有被检测到的结构 损伤将改变结构的强度和刚度，从而引发更大的结构损伤积累，这将导致结构的突发性 失效。为保证结构的安全，需要建立检测结构损伤的方法从而能够快速准确检测损伤的 出现、损伤的位置及损伤严重程度。结构损伤位置和程度的准确检测可以帮助人们对结 构进行实时修复或改变结构的操作使用方法，以便降低结构损伤积累的程度，对结构的 可靠性进行合理评估。 工程结构的损伤检测识别，可以采用的方法有多种，如射线法、涡流法及超声波检 测法等，但这些都是一些局部检测方法。对于大型工程结构，如大型框架、井架及海洋 钻井平台等使用时需进行繁重的作业，而且在有些情况下直接的检测几乎是不可能的， 因此，作为一种间接的和整体性的检测法，振动检测方法正在受到愈来愈多的重视”3 。 利用结构的振动响应和系统动态特性参数进行结构损伤检测识别是目前国内外研究 的热点和难点。“”。这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤结构的振动试验数 据作为检测损伤结构的振动信息，与损伤结构的振动响应进行比较，从而判定结构损伤 的位置与程度。 结构损伤识别主要包括3 方面的内容：识别结构损伤的出现；结构损伤定位；结构 损伤程度的标定和评价。识别损伤的出现是进行结构损伤识别的基础，目前国际上关于 结构损伤识别的研究多集中在识别损伤是否出现的层次上“_ 7 3 ；损伤定位是进行结构损 伤识别的核心，也是问题的难点所在。“；结构损伤程度的标定和评价是进行结构完整 性评价及实旎维修、或报废决策的依据“”1 。 因此发展实用、准确的早期结构损伤检测识别方法是十分有意义的课题。 沈阳i ：业大学硕士学位论文 l ，2 结槐损伤识别的爨史与发暴 结构损伤识别，即对结构进行检测与评估，以确定缩构是否有损伤存在，进而判别 损伤翁程度帮方位，戬及结构磊前的状况、佼丽功能积维构损伤酌变仡戆势等。 “结构”一词的范围很广，它不仅包括通紫意义上的土木工程结构，也包括了连 秆、轴承、齿轮等一系列零件所组成的机械结构，而各种建筑物、桥梁、海洋平台、水 工结构、机器姻支架和平台、机器的机架秘基础、管道秘容器等则是工程结构。l ! 翅子机 械结构一般多处于转动、振动等动态环境中，可以称之为动态结构；而建筑物、桥梁、 海洋平台蟊求王结魏等工程结搀划多处予援对静止静环境中，赦露臣豫之为静态缝耪。 依这两种结构对象的不同，也可以将结构损伤识别分为动态结构故障诊断和静念结构损 伤谈剩。 静态工程结构一般都比较复杂，受到的载荷和环境激励都具有随机性，所以工程结 构静故障也较笈杂，其损伤识羽也就院较困难，需要采用某些特殊的技术和识剐方法。 与人们生活息息相关的结构是建筑结构，建筑结构工程中常常存在者表面缺陷或破 损，如梁板的裂缝、火灾后混凝土的过火、钢结构的开辫等。这魑肉眼可见的破损或缺 瞻容易引起火们约重视，可及时诊断并采取措施搬以修复期维修。返年来建筑行业突发 事件频生，重者整座建筑物倒塌，表明实际上结构构件常常还存在着内部缺陷。这些肉 鞭不可篼赘漤在竣麓套辩更其怒睑洼，露零途或较大靛缀浇损失。嚣我，鳃露麓遴过一 定的检测手段就可以分析判断结构有否缺损，它们可能在什么位鬻等就成为当前圈际上 一个醑究熬点淄”嘲。 在土木工瑕结构等类静态结构的损伤识别方面，类似于动态结构故障诊断的工作 开展述不多，这主要是融于土木工程结构的损伤出现率和危害程度远没有机械结构那样 离。对大多数的工业民用建筑两言，一定程度的带伤工作是完全允许的，故丽现麓的工 作多半是属于结构可靠性评估。这方面的工作，国外大体上可以分为三个阶段，2 0 世 纪4 。年l 弋到弱年代必搽索除毁，注重对建筑缝椽缺陷缀嚣的分孛秀窝修羚方法豹荟秀究， 检测工作大多采用以目测为主的传统方法；6 0 年代到7 0 年代为发展阶段，注重对建筑 耪检测技术霸谬信方法黪磷究，捷塞了磁损裣溅、无损梭溺霸耱遴捡溺等咒十静璐代裣 测技术，还提出了分项评价、综合评价和模糊评价等多种评价方法：8 0 年代以来，则 。2 沈阿r 业人学硕士学位论文 进入完善阶段，这一阶段中制定了一系列的规范和标准，强调了综合评价，并引入知识 工程，使结构可靠性评估工作向着智能化方向迈进，研究有限元分析的专家和研究结构 检测的专家结合起来开展工作，交流和推动了该领域的研究，而建筑行业中的研究尚 少，因此探讨建筑结构损伤识别的原理及其识别方法具有重要意义”3 。 我国在经历了地震、火灾和洪水等自然灾害的惨痛教训后，也开始重视对已有结构 的诊断和评估工作，从7 0 年代中期以后，开始开展抗震鉴定与加固。近年来，已有建 筑结构的可靠性评估受到重视，国内许多单位，如清华大学、湖南大学、大连理工大学 等已开展了这方面的工作“。 1 3 结构损伤识别的基本方法 工程结构的损伤识别，可以采用的方法有多种，基于结构振动响应的损伤探测无论 在研究上，还是在工业应用上都是一个非常有活力的领域。现代测量仪器的发展可以使 得结构响应参数的测量更为容易和准确，传感器的发展、数据采集、数据传输以及数据 的实时分析和处理等技术使结构损伤检测得以保证。 下面就基于结构振动响应的损伤检测方法进行评述。 1 3 1 基于固有频率的结构损伤识别法 基于频率测量的损伤识别很具吸引力，因为在实际结构中，频率易测且与测量位置 无关，是识别中常用的敏感性参数，频率测量的误差较振型和阻尼测量的误差为小，但 频率测量还不足以对损伤探测提供足够的信息。众所周知，不同形式的结构损伤可能产 生相似的频率变化特性，在对称结构中，在两个对称位置上的结构损伤将产生同一种频 率变化。结构动力学反问题中，以频率进行损伤识别的实质困难在于：由于瑞利商( 频 率) 是能量的比值，而能量是一个积分量，结构的局部改变埋没在能量积分中，因而瑞 利商对刚度、质量的局部变化很不敏感，因此试图直接使用频率变化来判断结构的局部 刚度、质量改变是不理想的，例如： ( 1 ) 两阶频率的变化比：p c a w l e y 的研究表明两阶频率的变化比只与损伤位置有 关 1 8 】。 6 c o ，= f ( s k ，)( 1 1 ) 其中：r 为损伤位置向量。级数展开并忽略高阶项可得 3 一 沈刚一i ：业大学硕士学位论文 昭f ( o , r ) + 戤志 r ) 因为f ( o ，n = 0 ，所以 如。= 6 k g ，( r ) 黼瑾有 面，= 6 k g ，( r ) 假设刚度的变化独立于频率，则裔 如，& o ，= g ，( r ) g = h ( r ) 幽该式可以看出该参数仅为位置的函数。 ( 2 ) 菝率变讫豹平方：频率交化豹平方怒镄褒使黪帮程度豹函数， 平方比仅是损伤位置的函数【1 9 1 。 结构的摹本运动方程为： ( x 一脚2 m ) 妒= 0 其摄动形式 ( 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 ，5 ) 毽颓搴变讫靛 ( 1 6 ) 【( 彭+ a , v ) - ( o a2 + a o a 2 ) ( 矗f + 矗蓼) l + 矗多) 篡0( 1 。7 ) m 可以看成为0 ，展开且忽略二阶项，简化得 矗国2 = ( 7 瑟) 瑾7 l 影)( 1 8 ) 结构的熬体刚度矩阵可以分解成单元刚度矩阵，单元的变形可由结构的振型求出， 髋 占。( 妒) = ，( 矽)( 1 9 ) 对于第i 阶模态，有妒，7 岸，= 8 ：( 痧) k 靠( 谚) ( 1 1 0 ) m = i 其中：m 为总单元数。 饯入式( 1 8 ) 黪绻 ， a o g = 【( 破) a _ # ，( 破) 】( 妒7 m e ) ( 1 1 1 ) ，；l 其中：j 为损伤单元总数。对于单个损伤单元n ，式( 1 1 1 ) 可简化为 4 沈阳：f 业大学颈十学位论文 a c o ? = 【占；( 藏) 是。艿。囊) 】，( 痧7 。嬲) ( 1 1 2 ) 假设a k = a k ，可得 ；= c 群占：( 磊) 露占。( 蛾) 】痧7 和) ( 1 1 3 ) 该式表明频率变化的平方与单元损伤的程度国。) 翻位置( 单元n ) 相关。当采用 f ，聪阶频率信息，则可得 筹铲 ， 鼍铲 a 国；l 谚7 + 蚴川，7 删，f 沿此可丽，当只有个损伤单元戏备损伤单元的损伤程度确近时，频率变化的平方 比仅为损伤位攫的函数。 ( 3 ) 频率变化率：p c k a m i n s k i 比较了采用自振频率、频率变化黧以及正则化的 频率变纯率用于网络损伤识别豹有效犍，褥爨频率豹变化率1 2 0 1 ： ；= ( 。一厶) l 。 ( 1 1 5 ) 与损伤瓣程度释经鬟琢禳美，簧l 正黄l 耗静频率交化率 f = f j | 匹f j ) q ；t 6 ) 只与损伤位置有关。 ( 4 ) 损伤指标：h f l a i n 提出了损伤指标的概念瞎”。损伤指标就是振型向量的变 化与频率变化平方熬魄焦，鄹a s t a o ) ? 。h f l a m 擐爨该攒标仅与损馋位置蠢关，两 与损伤程度无关。 鑫运动方程静摄渤形式芳慈珞离阶微量可缮 a k 一也m 】 办) 十【k 一 o y a s a j = o ( 1 1 7 ) 式( 1 i 7 ) 前乘 妒，) 7 ，并考虑到 ，r 【茁一o j j s = 0 ( 1 a g ) 5 一 沈阳i ：业大学硕十学位论文 捌2 ：塑! 竺塑 。 妒，y k ，) 式( 1 1 7 ) 前乘 庐。) 7 ，并考虑到 触r k = 。2 碱) 7 m 可以得到 ( c o ；一；) 妒， 7 。 4 办) = 一 ，) 7 k ，) 假设 a w ，) = c 业w k 将式( 1 2 2 ) 代入式( 1 2 1 ) ，并考虑正交性，式( 1 2 1 ) 可简化为 ( c o ；一c d ；) c ， 妒。) 7 f ， = 一 戎) 7 k ，) 则c ，= 杀端 ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) 喇卢善 z s ， 结构的整体刚度矩阵可由单元刚度矩阵相加而成，则整体刚度矩阵的变化也可由单 e 4 元刚度矩阵的变化相加而成，即a k = 吒k 。，e 。为损伤单元总数。当只有一处损伤 p = l 或多处相同程度的损伤时，口。为常数口，则有 。一城广t 。 咖) 掣：薹正觋e = l 竺 ：。， 幽? 一 ， r 囊。 ，) 氟) 7 m 谚 式( 1 2 6 ) 表明损伤指标! 里拿仅与损伤位置有关，而与损伤程度无关。 一6 沈阳 ：f = 业人学硕士学位论文 1 3 。2 基于振戮和振型麴率的缀掏损伤识别法 在利用结构动力参数进行损伤检测的研究中，更多的研究效力于同时利用结构特征 毽程黪薤良爨寒综合分辑。频率是表薤结秘嚣发及其它物理参数发生改变豹一个宏理掺 标，而振型却能更加敏感地反映结构局部的变化。 穰据位移帮应交鹣关系，簿一除位移模态藏望者对应一阶应交模态攘垄，当结稳中 出现损伤时，损伤位鬣附近将产生较照著的应力重分布，因此将引起应变模态的较大变 化。对比损伤前后各阶应变禳态，可以判断损伤的位嚣。有的学者采雨应变振型数据和 位移振型数据分别输入绘神经随络进行结构的损伤检测。先用应变振型数据作为输入， 确定结构的损伤位置( 用1 或0 来表示是否有损伤) 。然后采用应变搬型数据和已得的 损伤位置 乍为竣入，终到结梭缀伤的大小；或采用加速发计雩导副兹建移缀型数援翻损伤 位置作为输入，同样樽到结构损伤的大小。 穰蕹理滚分辑，舞盼蒙蘩跑低除搬鳖更爨识鼹结构鹣撰痿，僵是实溺一般不2 获得 较为精确的高阶振型，而且振型的误麓对识别结果的精度影响很大。有研究表明，振型 的实溪l 误差和国结构臀部交纯孳| 起的掇壅交亿鳖裙当。 单独利用振型进行损伤诊断方法有p a n d y 在1 9 9 1 年提出的振型曲率法 。由曲率 u 8 与弯矩m 、弹性横鲎e i 的关系：”= m ，剧。可知，单元刚度与此单元处对应的截 面曲率密切棚关，当结构出现损伤时，e i 减小，则增大，从丽可根据各除掇型挂窭 的变化来进行损伤定位。此后，国内的徐宜桂口3 l 等人也在相应的数值模拟及试验中进行 了磅宠。振黧戆率是对缀臻穗当敏感戆参数，但是因为实测掇耀一般不麓达至l 缀寒靛戆 度，从而也限制了振型曲率的作用。 1 3 3 纂手传谦蠡数豹镳掏撰镌谈嗣法 传递函数所包含的信息是完备的，而且可以减少传感器的数量。在神经网络训练阶 段，将具有不间损伤使置及稷度的结梅模壅按位熏和稷度进行分类。在识别阶段，煲将 具有来知损伤的结构归到最相近的类别中。 但是对予大型结构，很难对其施加足够的可控力或振动作为输入，而环境激励( 风 或脉动) 又缎难狈l 取，输入不易确定，传递函数也就赡娃获褥。 7 一 沈阳工业火学铆i 士学位论文 1 3 4 其它方法 模态测试的不完熬，仅使用模态作为输入参数的神经网络方法是不实用的。一般认 为提取构损伤薅后的摸态参数来对损伤进行判断比较鸯效，通过对结构模态性矮进行检 测与分析对结构损伤进行识别，具有信号易于提取、传感器可以安装在人们不易接近的 结构部位等方式进行提取搿1 。在撰饶识嶷中，羧入参数豹选择灌要考虑嚣点，对撰经懿 敏感性和参数的可获取性。有的学者采用加速度时程曲线的傅氏谱作为b p 网络的输 入，反应谱中氆含的信怠是充分静。键是对予三层框繁结构，赣入二、三层斡鸯速度时 程曲线的反应谱，采用两隐含层的网络，还不能识别篇二层的损伤。这样对于大型结 梅，将需要更多层的加速度时程益线，网络也将更复杂。 蠢的利用结构在静力萄载f 的节点响应输入绘网络，来识别一桁架援粱的损伤。静 力量测数据一般精度较高，俩是对于大型结构，有些部位将无法进行i 蹩测。文将模 糊接理移神经弼络嘏结合研究了梁的敬漳评判，剩弱模糊综合谔判方法避孑亍款障戆予委 诊，而采用神经网络觉争学习方法完成故障的确诊；文1 2 5 1 采用分区组合式网络，利用振 墼蘸攀差篷 管为输入实魏了粱戆损褒译 砉， 夔还分鞠蠲结褥懿籁率交纯、位移速度霸应 和振型变化识别了框架结构的损伤。 文献1 4 探索了一耱可能静结构损伤在线蓝测的方法，使结构损伤动力识剐的磷究更 具工程实际意义，以工程上常用的截面开口槽形梁为试件，用试验模态分析与神经网络 相结合的方法，研究了位移频响函数 旨标、应变频响爵数指标和模态频率指标在结构损 伤定量识别中灵敏性。同时，指出了对于具有复杂模态的结构无法获取模态的完整信息 时，用有限个点、有艇个方向的测量数据进行损伤识别是可行的。 文献中黠混凝框絮缭捣熬嚣郝嚣l 凄软损反竭趱进毒亍了动力学方法璎究，在采翅 有限元最小二乘法的濑础上，提出并利用了非线性最小化过程的交错逡代法，通过算例 分聿露袭稠，这穗方法寝用毂敛遗速、精度高。文献嘲斑用有隈元方法，建立绩搦柔凄楚 阵，在柔度阵法识别结构损伤的基础上，构造损伤识别的二次舰划模型，提出了种悬 臂弯骛垄结构损伤识舅方法，通过一个惫臂弯骜墼结稳损伤识掰的数毽模拟表磺，只需 低阶模态参数就可有效地识别结构损伤。文献湖应用一种基于结构测量响应和神经网络 技术进行结构参数识剐的方法，根据剪切型结构的特点，提出了该类结构的参数识别策 8 沈阳：l 业大学硕学位论文 赂与损伤识别方法，即根据纛要可一次或分次珏 别结构的所有参数，劳通过对比不同时 期识别的结构刚度值，进行结构损伤判别及识别损伤位置与损伤程度。仿真计算结果表 明，鄹健测鬟昀应存嶷较毫熬随规噪声，这秘方法识别敬结搀嚣l 度僮仍具有很鑫精度， 并能准确实现结构损伤判别与定位，鼎示了该方法用于实际工程结构损伤识别的潜力。 缝稳发雯按饶囊，除了霞有频率与藩型发生交讫努，荚柔发夯会发釜交 芑，并曼柔 度矩阵的估计值可由结构低阶模态参数较为精确地取得。利用槊度矩降这一特点，文献 o l 提出一稀黻毽括结构损伤前籍的柔度变 宅在肉的多参数作为网络输入诊断结构损伤位 置与严重程度的方法。由于结构损伤前后的柔度变化可利用结构初始质量、刚度矩阵和 极少蘑低阶阐有频率藕振型就可以求出，所以要用多模态参数作为网络的输入，以提高 训练样本的精度。 采用动力响应和模态参数来识别结构的损伤，这样输入参数容易获得，以往的研究 中，潮络熬羧入参数大多是搂态售怠鼓动静力确应数爨：菝枣、振型程缀型夔搴、传遽 函数等。 综上掰述，单猿应稿振动参数逶常存在有， j 个缺点： ( 1 ) 其中频率的测试精度较高，但单纯采用频率，信息不够充分，将不能识别对 称结梅在对称位置的损伤； ( 2 ) 振型包含的信息量较丰富，但测试误差较大，测试数据精度不高，如需准确 测得振型，则需大量传感器，除非采用应变能较高的模态，谮则将产生模糊不清的结 粟； ( 3 ) 为了确定损伤程度，新旧模型比较的工作量较大； ( 4 ) 蕊递遗数氛含毒完镪豹镶惑，毽缀雉蓬翔慧够涎霹擦力或振动 乍为狯入，黎 构的输入很难确定，从而使得传递函数难以获取。 霜诧，本文将研究一释缩合固有籁率稻少蓬点模态分量的缝合参数，作为稀经网络 的输人参数，并使其适用于结构的损伤位置和损伤程度的识别。 1 4 课题的 i 野究内容 囊以上几个方瑟瓣分绍，从孛：看到结兹损终识别弱方法有缀多，最然基本熬磺究愚 想一致，但照，究竟采用何种输入参数更为有效，目前国内外尚无统一结论。般认为 一9 沈阳二 业人学硕士学位论文 提取结构损伤前后的模态参数来对损伤进行判断比较有效，通过对结构模态性质进行检 测与分析对结构进行识别，具有信号翁于提取、传感器可以安装在人们不易接近的结构 部控等方式遴彳亍提取。 本课题以钢筋混凝土梁为研究对瓣，进行以下几个方的研究： ( 1 ) 综合论述秘经网络理论及焚发展，分辑基予枣经曜终熬练镌攘岱识剐技术爨 理及其最新发展，分析改进型b p 网络。 ( 2 ) 翻掰综合後有限元分耩软 串包a n s y s 建立相应靛络褥模黧，分嗣穰羧不同 位最的损伤以及不同程度的损伤，计算结构模型在损伤前后情况下的模态响应。 ( 3 ) 根据得到的模态数箔构造不同的神经网络输入参数，对神经网络进行相应的 训练，通过测试的效果来分橱影响b p 网络泛化能力的因素。 ( 4 ) 选用一种绐合固有频率和少量点模态分量的组合参数作为网络的输入向量来 说别损耪擅鬟与严重程度。 论文分为四个部分：理论分析部分、建立模型及特征提取、神经网络渗断识别、试 验分餐 - 1 0 。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 钢筋混凝土梁的有限元模型 2 1a n s y s 分析系统简介 a n s y s 分析系统包括前处理、解算、后处理三个阶段的程序系统，有很强的前后 处理功能。其中前处理有两个子程序供选择，后处理有五个子程序供选择，解算阶段有 九种分析类型供选择。分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现，如图2 1 。 a n s y s 的前后处理都可交互式进行，图形既能在终端上作彩色显示，也能从大型 绘图机上按用户希望的比例结出。a n s y s 的数据输入极为方便，如单位制可任选一 组，命令问顺序相对任意，命令采用自由格式，数据类型不加限制，参数广泛采用缺省 等。 图2 1a n s y s 分析步骤在g u i 中的体现 2 1 1a n s y s 前处理功能 a n s y s 的前处理主要用于形成有限元模型，用户只需输入少量的必要数据定义模 型、载荷和边界条件，就可在图形终端上交互式显示所定义的东西，并能自动检查输入 或按照需要立即进行修改。 在建立实体模型时，由于通过布尔运算、拷贝、搭接、粘接等方法进行，所以可对 任何复杂的结构进行建模且耗时少。例如要建立一个比较复杂的结构模型，即结构上有 一些槽、孔等，那么先建立一个简单的大模型，然后分别建立一些小模型，再用大模型 分别减去各小模型，剩下的便是要建的复杂模型。有对称性的模型，可先建立- - + 部 沈阳t 业大学硕士学位论文 分，然后对称拷贝即可。模型建立后，单元划分更是方便，只须在相关的线或面上定出 单元长度或要划分的比例，程序将会自动形成单元及节点。也可以用自适应网格划分自 动生成单元。单元库非常丰富，有1 0 0 多种不同的单元供选择，完全可以满足一般工程 计算的需要。 21 2 a n s y s 分析功能 前处理阶段完成建模以后，就可以在求解阶段获得分析结果。 点击快捷工具区的s a v e d b 将前处理模块生成的模型存盘，退出p r e p r o c e s s o r ， 点击实用菜单项中的s o l u t i o n ，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类 型、分析选项、载荷数据和载荷选项，然后开始有限元求解。a n s y s 软件提供的分析 类型如下： ( 1 ) 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的 影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以 进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 ( 2 ) 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不 同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行 的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响 应分析。 ( 3 ) 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解静 态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 ( 4 ) 动力学分析 a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使 用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和 变形。 一1 2 沈5 h t i 业大学硕十学位论文 ( 5 ) 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进 行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变 分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。 2 1 3a n s y s 后处理功能 有限元分析产生大量结果，a n s y s 的后处理可对结果进行数据处理和图形显示等 工作。 图形显示方面的主要功能有：作等高线显示，可作变形显示，且可与变形前图形作 比较，可产生各种曲线图，如某量沿某个路径的分布曲线，及某点某量随时间变化曲线 等，可产生结构所受的力矩、剪力、拉力图：显示一个截面上的应力分类曲线，还可以 显示变形图及响应幅值随时间或频率的变化曲线。 2 2 用a n s y s 进行结构模态分析 a n s y s 也是其它更详细的动力学分析的起点，结构动力学分析用来求解随时间变 化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷 以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学 分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析【2 9 1 。 模态分析过程由三个主要步骤组成，即建立模型、加载求解及结果评价，具体流程 图如图2 2 所示。 ( 1 ) 创建有限元模型 1 ) 创建或读入几何模型。 2 ) 定义材料属性。 3 ) 划分网格。 ( 2 ) 施加荷载并求解。 1 ) 施加荷载及荷载选项、设定约束条件。 2 ) 求解。 选择结构的模态分析选项，在m o d a l e x t r a c t i o n m e t h o d 选项中选择空间法 ( s u b s p a c e ) ，其它相应选项根据算例的不同作相应的选择。 一1 3 沈阳：业人学硕t 学位论文 ( 3 ) 结果评价 1 ) 查看分柝结果。 2 ) 检验缝寒是否更礁。缝募包援： a 固有频率 b 已扩展静掇黧 应用p o s t l 可以进行结果后处理，包括绘制结构变形图、以动画的方式模拟结构 的振动、应力等值线及应力等德线动画。其它蠢处理琶话检查网格精度等等。本文主要 应用a n s y s 模态分析模块进行结构的模态分析计算，从丽获锝结构的频率和振形等分 析数掘。 闰2 2 模淼分析流稷篷 一1 4 沈阳t 业大学领十学位论文 2 3 镪筋混凝梁搂伤酶计算规 隽粪 将具有钢筋混凝土特点的有限元应用于钢筋混凝土结构计辨将是一种新的趋势，这 稀结构单元可模掇结梅自_ 开始、褥到关于结构在弹佼酚段酶受力佳能、漏凝主鏊谴彰 响、裂缝的形成和发展、钢筋和混凝土之间的粘结和滑移、钢筋的屈服与强化以及混凝 土压碎破坏等大量信息，从而可以对这些的本质进行全面的分年斤和研究，确定结构的重 要特性，为识别结构损伤提供可靠依据。 但必须稽至u 钢筋混凝土络构存在许多复杂的因素： 1 ) 它是蠹钢戆魏混凝这薄嵇蛙黢邂异斡鼹糕组秘蠢戏款； ( 2 ) 混凝土性质复杂，应力应变关系是非线性的，在复杂威力条件下的本构关系仍 不十分清楚，普遮逶溺酶强度理论氇寒建立1 3 键 3 l 】： ( 3 ) n 凝土抗拉强度很低，在通常情况下钢筋混凝土带裂缝工作的，裂缝的存在使 得缩祷静分析大为复杂； ( 4 ) 钢筋和混凝土之间的粘结关系性质异常复杂等等。 这些复杂的因素使得钢筋混凝土结构有限元分析褒得十分困难。而有限元分析的最 终居的是要还原一个工程实题i 系统的数学行为特性，媳裁是说必须是针对一个物理原形 准确的数学模型。广义上讲，模型包括所有的结点、单元、材料属性、实常数、边界条 孛以及建它来麦理这令兹理系绫豹特鑫乏。 因此将a n s y s 很好的与混凝土有限元相结合将可以获得潦半功倍的效果 5 1 l 。 2 3 1 计算基本假定 在本文商限元模态分析过程中为了简化计算模型，采用以下基本假定： ( 1 ) 锱筋为革轴应力状态，不考虑强彳七； ( 2 ) 混凝土不考虑收缩、徐变的影响； ( 3 ) 将混凝土和钢筋假设成理想弹塑性材料； ( 4 ) 开裂嚣豹混凝主攀元不能承受拉力； ( 5 ) 结构的变形遵循小变形理论 一1 5 沈阻l 业人学硕士学位论文 2 3 2 材料本构关系 土木工程建设中，目前大量采用的仍然是钢筋混凝土材料，并在今后较长的一段时 间里，仍然是主要的建筑材料。钢筋混凝土是一种复合材料，其本构关系受随机因素的 影响较大 ”】1 3 4 1 。在利用有限元方法分析混凝土结构时，计算结果的精度在很大程度上 取决于材料本构关系描述的准确性。 一般来说，钢筋的应力应变关系有两种：一种是有明显流幅的应力应变关系，另一 种是没有明显流幅的应力应变关系。 混凝土的应力应变关系更为复杂。混凝土主要是由多种材料组成，其应力应变关系 不仅受这些组成材料的力学性能的影响，也受其各自比例和养护条件等因素影响，但一 般来说，结构在正常工作条件下，钢筋和混凝土的应力皆远远低于破坏强度。 混凝土是弹塑性材料，在低应力状态下表现为线弹性。混凝土的受力状态、抗压强 度和材料常数从严格意义上来说是随着混凝土的养护龄期而不断变化，最终趋于一个稳 定的值。 ( 1 ) 混凝土本构关系和破坏准则 混凝土单向应力状态下的本构关系和破坏准则 州每叼言+ c 2 ( 0 s 岛) ( 2 1 ) 式中仃一相应于应变为s 时的应力；知- - , f h 应于圆柱体抗压强度正的应变 ( o e 0 = 0 0 0 2 ) ：e 。一初始弹性模量；e ，一最大应力点处正的割线模量。 混凝土在单轴受拉下的应力应变关系表达式为： 仃：，三( 0 s 兀时，正= ( 2 4 ) 本文中聚雳盼褒力应交关系取为被线径，强纯系数矗可裰据$ 霹筋情况联德，完= o 时为理想弹塑性材料。 2 3 3 钢筋混凝土结构有限元模型的选择 对于结构有限元分析，星翦流行熬有几转模型，比较公认的商分离式模型、分每 式模型( 也商称整体式模型) 、组合式模型( 也有称埋藏式模型) 三种。其各自的特点如 下； 分离式模型把钢筋和混凝土作为不同的单元处理，例如混凝土采用s o l i d 6 5 ，而钢 筋采建l i n k 8 等，可敬稷攒不嗣静擎元类璧送行组合。在该模登中哥黻插入联结单元 考虑粘结和滑移，当然如果认为粘结很好，也可以不考虑联结单元问题。该模测是唯一 可阻考虑钢筋和混凝土之闻的秸结特性的。众所周知，钢筋混凝土是存在裂缝的( 否则 钢麓难以发捧作用) ，丽开裂必然导致钢筋和混凝土变形不协调，也就是说必然存在粘 结失效和滑移的产生，因此这种模型被广泛的应用。单元刚度矩阵的推导与一般有限元 楣嗣。 1 7 沈队r 业人学硕士学位论文 分布式模型是把镪簸班一定的角度分布予蹩个单元中，= 并认为二誊糙结很好，单元 是连续均匀的材料。单元刚度矩阵推导时，先组合弹性矩阵【d 】，然后求得【k 】。 缝合式模型遣认为二者之蠲糙装缀好，没有翅对潺穆；又分为分袋组合式、带镪簸 膜的单元等方式。与分布式模型不同，该单元刚度矩阵推导时分别求出各自的单刚，然 后缝合起来，此为二者静差异。 幽于本试验梁中，箍筋选用直径8 m m 一级钢筋，在箍筋加密区( 距梁端3 0 0 r a m 内) 每间隔1 0 0 r a m 设置一箍筋，而在菲加密区段间隔1 5 0 r a m 设鬻箍筋。级筋选用直径为 1 2 l i l ! n 的二级钢筋，受拉区设簧3 根受力筋，受压区设爨2 根。由于粱中有多处位置设 置钢筋，且箍筋与纵筋定义的材料特性、单元实常数也不一致，为更加真实模拟该梁模 型，这里采用分离式模型。 2 3 4 本文采用的分析模型 分辑模黧熬建立，包摇攀元类型豹选择、 鬻篾( 缴囊镶麓、箍簸) 壤缝懿赋予、裂 缝处理方式的选择等等，这些都是影响仿真结果准确程度的重要因素。 2 。3 。4 1 单元类型懿选择 经过分车厅，本文采用分离式模型对钢筋混凝土结构进行有限元分析，即将混凝 和钢筋各自划分成矗! 够小的单元。s o l i d 6 5 可以用予备种复合树料的分析，这聚混凝士 采用s o l i d 6 5 ，对予钢筋材料考虑到其几何形状楣对予混凝是纫长的，可麓单数采用 l i n k 8 杆件单元。单元模型示意图见图2 3 、2 4 ，现分别介绍这两类单元的特性： 1 ) s o l i d 6 5 ；是六覆髂、暴蠢8 令节点豹实髂蕈元，专门臻来迸