基于反共振频率的梁结构损伤定量识别开题报告

开题报告TOC\o"1-3"\h\u目录2139一、课题来源、目的、意义，国内外概况 基于反共振频率的梁结构损伤定量识别一、课题来源、目的、意义，国内外概况1.课题背景及意义我国是一个多自然灾害的国家，几乎每年都要发生地震、风灾、火灾和水灾等重大的自然灾害，这些自然灾害对土木工程结构的安全造成了严重的威胁。再加上土木工程结构和重大基础设施设计周期长，使用环境恶劣，随着使用年限的增长，由于环境荷载的作用、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累和抗力衰减。一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度，如没有被及时发现和处理，损伤将会迅速扩展，很快就会导致整个结构的毁坏，造成重大的人员伤亡和经济损失。因而，对在役的重要土木工程结构及其关键构件进行健康监测，特别是早期微小损伤的检测就显得非常重要。20世纪90年代以来，随着大跨度桥梁、大型水利工程、隧道、核电站等大型工程项目的实施，基于振动响应和系统动态特性参数的结构健康监测与损伤识别迅速成为国际学术界和工程界关注的热点。如在1996年的国际结构控制大会上就提出了一个计划，即成立三个工作组，欧洲、亚洲和美国各一个，主要任务就是研究结构健康监测问题。自1997年起每两年在Stanford大学都定期召开国际工程结构健康监测会议,而在国际上召开的关于结构振动控制或智能结构的大会上，有关结构损伤识别与健康监测的报告也占相当大的比例。我国自90年代中期在国家“攀登计划”和国家自然科学基金的资助下也开始了这方面的研究。更为可喜的是，随着现代计算机技术、现代信息处理技术和智能材料的发展，这方面的研究已经取得了一些阶段性的成果，表现为在一些重要工程结构中建立了结构健康监测系统，如加拿大的Beddington铁路桥、Taylor大桥、Confederation大桥、美国新墨西哥LasCruces的I-10桥等都安装了光纤光栅监测系统，日本明石海峡大桥、香港青马大桥、徐浦大桥、渤海JZ20-2MUQ平台、虎门大桥等也安装了不同类型的健康监测系统。通过十几年的发展，结构损伤识别与健康监测逐渐成为结构工程学科的一门子学科。其研究领域不断扩大，研究学者逐年增加，研究成果也逐年增多。近年来的研究成果表明，结构健康监测系统的建立有助于在一定程度上消除隐患和避免灾难性事故的发生。建立结构健康监测、预警系统的一个核心问题就是如何对复杂结构体系中已经出现的初始损伤进行有效的识别、定位以及程度评估，其中损伤定位是结构损伤识别与健康监测的关键，也是问题的难点之一。结构损伤程度的评估则是更为复杂的一项工作，它牵涉到结构模型化的准确程度，损伤表述及其数学刻画的合理性以及与各自行业的结构损伤评定标准及规范等息息相关。因此，尽管已经研究多年，但由于结构损伤定位与定量识别问题难度较大，目前国际上尚没有成熟的解决方案，需要进一步深入研究。2.基于振动响应与动力特性的结构损伤识别研究现状基于振动响应和系统动态特性参数的结构损伤识别技术的关键之一是寻求一种更为有效的基于振动响应测量信号的结构损伤定位和定量识别方法。目前的识别方法按照不同的标准有多种分类方式，其中一种较为全面的分类方式是按照是否使用结构模型来对识别方法进行划分，即将基于振动响应的结构损伤识别技术分为不基于模型的识别方法和基于模型的识别方法两大类。不基于模型的识别方法的特点是不使用结构模型，直接通过分析、比较结构振动响应的时程数据系列或者相应数据的谱分析来进行结构损伤识别。无模型识别方法可分为时域识别方法、频域识别方法以及时频分析方法。常用的时域方法有利用ARMA（自回归滑动平均）、自相关函数和扩展的卡尔曼滤波算法等一系列方法。频域分析方法常用的有傅立叶谱分析、多谱分析（信号高次矩的傅立叶变换）、倒谱分析等。时频分析方法则有小波分析、Wigner-Ville分布以及近年来发展起来的HHT(Hilbert-HuangTransform)法等。小波分析常用于从非稳态信号检测结构损伤，它利用信号在不同尺度下小波系数的幅值与信号自身局部特征的联系，通过识别小波系数的大小来识别损伤。近十几年来小波分析已经被广泛应用于土木工程结构损伤识别研究当中。如高宝成等将裂纹模3拟为弹性铰，利用小波分析法对简支梁桥的裂缝进行了诊断，取得了满意的效果Hou等利用小波变换方法对ASCE结构健康监测工作组提供的四层框架结构的有限元仿真振动响应数据进行了分析，成功地识别和定位了结构损伤。此外对测量噪声以及损伤程度对小波识别的影响也进行了研究。Kim和Melhem对裂纹混凝土梁进行了损伤识别的实验研究。他们通过对混凝土梁进行循环疲劳加载来制作混凝土裂纹损伤，然后用脉冲锤敲击梁并通过在梁底面安装两个加速度传感器来获取加速度时程响应，最后利用小波变换得到的等高线图成功识别了损伤。随后Kim和Melhem还对连续小波变换和离散小波变换的基本原理及其在结构损伤识别中的应用进行了综述。Ovanesova和Suarez分别利用Harr小波和bior小波对平面框架结构的裂纹损伤进行了识别研究。研究结果显示，只要合理选择小波函数即可成功实现裂纹损伤识别。孙增寿等在结构曲率模态基础上，提出了一种基于小波变换的结构损伤检测和定位方法。他们利用双正交小波函数对损伤前后的结构曲率模态进行小波变换，通过损伤前后小波变换系数的变化和分布情况建立了结构损伤指标，并利用该损伤检测技术对简支梁的损伤位置和程度成功地进行了识别。Zhu和Law利用小波变换对移动荷载作用下的梁桥结构进行了裂纹损伤识别的数值和实验研究。他们基于线性断裂力学，将裂纹模拟为扭转弹簧；通过测量移动荷载作用下钢筋混凝土梁上单个测点的位移响应并对响应进行小波分析实现了单个和多个裂纹的识别。Wigner-Ville分布是时间-频率的二维联合函数，具有很高的分辨率，是解决时变系统识别问题的有效方法。但由于土木工程结构一般不会产生强的非平稳振动，这类方法在土木工程领域研究较少。HHT法则是上个世纪九十年代末发展起来的一种全新的信号分析方法。它由经验模态分解(EMD—EmpiricalModeDecomposition)与Hilbert变换两部分组成，能描绘出信号的时频图、时频谱和幅值谱是一种更具适应性的时频局部化分析方法。该方法目前也已经初步应用于土木工程结构参数识别和损伤检测研究当中。Yang和Lei就利用这一方法对三层非比例阻尼剪切型结构进行了模态参数识别研究。数值分析结果表明，利用HHT法能有效4识别非比例阻尼线性结构全部模态参数。Pine和Salvino较系统地介绍了信号处理的时域方法、频域方法以及时频分析方法，并对它们进行了比较研究。特别指出利用HHT方法识别效果更为理想。随后他们还利用HHT方法对遭受EICentro地震波作用的四层框架建筑模型进行了损伤识别研究。Xu和Chen则利用EMD对实验制作的三层剪切型钢框架结构进行了损伤识别研究。在该实验研究中，框架安装在振动台上，框架第一层楼板的两端各有一根弹簧与振动台水平相连来提供附加结构刚度，并通过分别解除预张拉弹簧来模拟不同程度的刚度损失。在不同损伤工况下，分别对结构进行自由振动、随机振动和地震动测试，获得各层楼板的加速度和位移响应、柱子的应变以及弹簧解除的时间，然后对振动响应进行EMD分解，识别了损伤发生的时刻和损伤位置。Huang等利用HHT对台北高速交通系统的一座正在运营的桥梁进行了损伤检测。检测对象是跨度为25m的预应力混凝土箱梁组成的高架桥的一跨。人工检测没有发现损伤，然后在不影响交通的情况下对该段桥梁进行加速度测试，并利用HHT对测试信号进行分析寻找出信号的非线性特征来识别损伤。Yan和Miyamoto将改进的HHT与连续小波变换分别应用到Z24桥梁基准问题等三个例子进行参数识别的比较研究。比较结果发现，对于各阶模态分得较开的结构系统，上述两种方法均可适用；但对于有很接近模态的系统，从参数设计的角度来看小波变换更为有效。由此可见，HHT方法还存在一些弱点，加上该方法提出的时间还不太长，还有很多问题需要进一步研究和完善。不基于模型的识别方法最大的优点就是不需要建立复杂的数学模型，从而也就减少了理论和计算的工作量，同时也避免了由建模带来的误差。但从另一个角度来看，它过分依赖振动测量信号的准确性。测量误差、测量噪声对识别结果将产生很大的影响。最关键的一点是，不基于模型的识别方法一般不直接与结构本身的物理参数发生联系，因而难以实现结构损伤的定量识别。基于模型的识别方法则为被监测结构建立相应的数学模型，其建模方法有理论建模、试验建模和有限元建模，其中理论建模和有限元建模较为常见。理论建模多5用在简单结构如梁、板等构件的损伤识别当中，原因是梁、板类构件的动力学问题还能寻求解析解或半解析解，而对于大型复杂结构的动力问题则难以寻求解析解，只能寻求数值解。基于模型的损伤识别方法有助于精确地标定结构的损伤程度和位置，因此受到国际学术界和工程界的特别关注。在土木工程领域，应用基于模型的识别方法进行损伤检测的研究很多。这类研究大致可分为以下三种，一种是根据已有的破损方案，比较测量结果和破损方案所预示的结果，最接近的破损方案即为识别结果。这种方法要求事先列举结构可能损伤的各种方案，然后对结构进行精确的有限元建模，通过对损伤结构的正问题分析得到尽可能多的响应预测值，才能确保此识别方法的可行性。神经网络技术的出现使得这种识别方法得到了进一步的发展。基于神经网络的损伤识别方法首先对结构不同损伤工况进行有限元分析得到与之对应的损伤指标值，然后借助神经网络的学习、训练等功能建立损伤与指标值之间的映射关系，最后将测量值输入已训练好的网络来寻求与之相匹配的损伤工况。由于神经网络具有容错、泛化等能力，使得这一种识别方法对复杂结构的识别成为可能。一种为模型修正法，通过测量结果反向识别出刚度、质量、阻尼以及荷载变化，从而判别结构损伤。模型修正法属于数学上的反演问题，其具体的检测算法有基于敏感性分析方法、基于优化算子以及基于有限元模型修正的方法等。对于土木工程结构，结构测量信息和结构单元数都较多，在基于敏感性分析的方法中，敏感性矩阵将会很复杂，而且得到准确的敏感性矩阵所需的计算量也很大；需要特别注意的是，当某些位置的损伤对振动测量信息的变化量的影响非常小，或几个位置的损伤对振动测量信息的变化量的影响很接近时，这时通过敏感性分析得到的最可能损伤位置常常是不正确的。基于优化算子的识别算法有很多种，如线性规划法、动态规划和遗传算法等等。其中遗传算法作为一种模拟生物进化过程的随机搜索机制在结构模型修正和损伤识别领域得到了较多的应用。易伟建等通过计算和实测的特征值来建立适应值评价函数，利用遗传算法和牛顿法对混凝土梁板类构件的边界参数进行了识别研究。Ananda等利用特征值预测算法和正则化的残余力向量来构6建目标函数，通过遗传算法对欧拉梁和桁架结构的刚度损失进行了识别。然而目前基于优化算子的结构损伤检测方法过于依赖测量信息的数量与精度，加上适应度求解难以满足不同规模和类型结构的要求，在基于模型的损伤识别时很难保证求解的速度和准确性，不便于土木工程的应用。基于有限元模型修正的损伤识别技术，是结构发生损伤时将使用结构完整状态时的有限元模型所计算得到的振动响应与实际测量结果进行对照，并利用选定的修正策略和测量的振动响应来修正原始有限元模型中不准确的部分，修正的过程也即是损伤识别的过程。目前围绕该识别技术开展了大量的研究，取得了许多的有益的成果。但值得指出的是，基于有限元模型修正识别方法的精度与原始有限元模型的精度直接相关，要使原始模型具有足够的精度，网格划分必然很小，这样势必导致计算费用的增加，而且运用有限的测量信息去修正几乎无限的未知量，必然会导致不精确的结论。基于振动响应和系统特征参数的损伤识别技术的另一关键问题在于选取一个可测的、对结构损伤敏感的参数。报道较多的损伤检测参数有结构的固有频率、位移模态振型、应变模态振型以及振型曲率等。Cawley和Adams通过采用一组不完备的固有频率测量值对简单结构的损伤位置和损伤程度进行了识别，但他们提出的方法还不能为大型结构和多处损伤提供可靠的损伤检测结果。Patil和Maiti用无质量的转动弹簧来模拟裂纹，并且使用传递矩阵法来求解多裂纹梁的弯曲振动问题。然后通过前三阶固有频率对不同支撑条件下的多裂纹梁结构进行了损伤识别。Zhu等则结合灵敏度分析和神经网络法，利用固有频率测量值对框架结构进行了损伤检测研究，数值与实验结果显示基于频率的损伤识别法能识别出框架结构损伤单元的位置和程度。West可能是第一个系统使用结构振型信息进行结构损伤定位的学者。在识别过程中，他使用了结构损伤前后的振型测量值和模态保证准则MAC(ModalAssuranceCriteria)，而不要求对原始结构进行有限元建模。Waldron等介绍了基于工作状态下的结构变形ODS(OperationalDeflectionShape)进行损伤识别的基本原理和测量方法，并利用ODS对裂纹梁结构进行了损伤识别的数值与实验研究。然而7利用固有频率测量值和位移模态振型作为损伤识别指标对结构进行健康评估存在着许多不足。其原因为：固有频率反映的是结构的总体特性，对刚度、质量的局部变化不敏感。因而试图直接通过固有频率变化来判断结构的局部刚度、质量改变是不成功的；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，两个对称位置上出现的损伤将使结构产生相同的频率变化，因此，单纯利用固有频率来识别对称结构损伤会得到虚假的结果；大量的仿真和工程实践表明：结构老化和局部损伤虽然会改变结构的固有频率与位移模态振型，但是影响很小。特别是早期微小损伤所引起的固有频率和位移模态振型的变化就更小。应变模态对结构损伤的敏感程度要大于结构位移模态和固有频率，而振型曲率模态则是应变模态的一种特殊形式，基于曲率模态的损伤识别方法和基于应变模态的损伤识别方法本质上是一致的。结构出现损伤时，破损处的刚度会降低，其曲率和应变均会增大。对大多数模态，在局部损伤位置应变模态有明显的峰值，且峰值大小随损伤程度的增加而增加。Li等基于Rayleigh-Ritz法对损伤板进行了应变模态分析，利用得到的损伤板应变模态建立了两个新损伤指标，数值与实验研究证实了该识别指标具有强大的损伤识别能力。应变模态技术采用应变模态的好处在于：可以直接研究某些关键点的应变，如应力集中问题、结构局部损伤对损伤点及其周围的影响问题；应变传感器如应变片，光纤光栅应变传感器等不仅质量小，而且应变测量精度较高，同时还可埋入结构内部进行分布或准分布测量，对结构影响很小。但是当用应变模态或曲率模态参数进行损伤识别时，振型曲率变化不仅会在损伤出现的地方出现峰值，在某些未损伤的高阶模态也会出现峰值，这就给损伤诊断带来了一定干扰。此外，应用曲率模态参数进行损伤识别需要非常密集的测点，以便使用中心差分法求取曲率模态；由于振型曲率本质上是位移振型的二阶导数，求导的过程会放大误差，这就要求位移测量值具有更高的精度。此外，不少研究者还尝试使用一些频率域的振动参数如模态应变能、传递函数、柔度矩阵、残余力以及频率响应函数等。模态应变能法是从结构固有频率、振型及8有限元模型出发，以模态应变能改变率和模态应变能改变为指标进行结构损伤检测。如Shi等运用模态应变能改变率指标对框架结构进行了损伤识别研究。Pandey和Biswa在其损伤识别研究中采用了柔度矩阵变化作为损伤识别指标，对梁结构进行了损伤识别。由于用于识别的柔度矩阵一般由结构的几个低频振动模态建立，而低阶模态易于测量，因此较为容易实现，但由于忽略了高阶模态参数的影响，无法避免地存在着一定的误差。David等学者利用频响函数数据和有限元模型，结合最小秩摄动理论，并假设所有产生损伤的方案情况，成功地对一桁架结构进行了损伤识别。Zhao和De-Wolf则将固有频率和模态振型与模态柔度进行了灵敏度分析对比研究，发现模态柔度比固有频率和模态振型对损伤更敏感。更多的基于振动响应与动力特性的结构损伤识别研究可参考文献。从上述回顾和分析可以看出，已有的基于振动的识别方法和识别参数还存在诸多不足，再加上土木结构较多的不确定因素、复杂的工作环境及其大型性，使得这些识别方法和识别参数在土木工程结构损伤识别研究中还存在一定的困难，因此，继续探讨更为有效的基于振动响应的结构损伤识别方法和更为可靠、敏感的识别参数有着非常重要的意义。3.基于反共振频率的结构模型修正和损伤识别技术研究现状反共振指的是弹性系统在某些特定频率的谐和激励力作用下，系统某些部位出现谐和反应等于零的情形。换句话说，反共振也就是指在某些频率上系统某些部位的动柔度为零。从20世纪90年代开始，就有学者开始用反共振频率进行结构模型修正研究。Lallement和Cogan最先建议在进行模型修正时，除了利用固有频率和振型之外还可以使用反共振频率。Rade等应用反共振频率数对两端自由的梁结构和平面框架结构进行了有限元模型修正，发现该方法可以提高模型修正的精度。Mottershead则对反共振频率的灵敏度进行了研究，认为反共振频率的灵敏度是结构固有频率灵敏度和振型灵敏度的线性组合。同时也指出由于反共振频率比振型更容9易精确测量而更适合用于结构的模型修正。D’ambrogio和Fregolent进一步研究了基于反共振频率的模型修正技术。他们通过数值仿真和实验测试对由跨点频响函数得到的反共振频率和原点频响函数得到的反共振频率分别进行模型修正的结果进行了比较，发现由原点频响函数的反共振频率效果更好。Yang和Lee则利用频率和反共振频率并结合神经网络技术对弹簧质量系统进行了损伤识别研究。研究发现该识别方法能有效地识别弹簧质量系统的损伤位置和损伤程度。Jones和Turcotte利用反共振频率和固有频率对一6m柔性铝框架结构进行了有限元模型修正研究。研究发现，同时应用反共振频率和固有频率进行模型修正得到的结果要比单独利用固有频率进行模型修正好，前者修正结果与实验频响函数的相关性比后者与实验频响函数的相关性要大48％。在模型修正的基础上，作者还利用曲线拟合法与模式分类法对结构进行了损伤识别比较研究。结果发现曲线拟合法比模式分类法识别效果更好。Bamnios等则对裂纹梁结构的机械阻抗特性进行了数值和试验研究，并利用得到的反共振频率成功地识别了相对裂纹深度为40％及以上的单裂纹损伤。Inada等基于共振频率和反共振频率变化提出了一个两阶段分层损伤识别技术，并使用该技术成功对一复合层状悬臂梁进行了分层损伤识别。Dilena和Morassi分别利用纵向振动和弯曲振动梁的固有频率和反共振频率变化对单裂纹自由梁进行了损伤识别。结论指出，合理使用固有频率和反共振频率对对称结构进行损伤定位可以避免单独使用固有频率进行损伤定位时发生的不唯一。基于反共振频率的模型修正和损伤识别技术发展时间还不长，特别是利用反共振频率信息进行结构损伤识别研究才刚刚起步，有必要进行进一步的研究。二、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案及主要措施本课题的研究重点是放在梁结构，从导师的研究成果及已有资料来看，这种有反共振频率研究的方法运用于梁结构是可行的，具有一定的可靠性，并且已经经过了数值模拟实验的检验。老师已完成了反共振频率的定位研究工作，所以我需要达到的目标首先从理论上建立起基于反共振频率进行梁结构损伤定量检测的依据，然后通过程序数值模拟进行验证。本研究课题的研究内容是首先要利用波动理论和梁的边界条件，连续条件等建立起梁结构反共振频率和梁的损伤程序之间的数学关系，其次需要运用Matlab建立结构的最小二乘模型修正程序，验证方法的可行性和稳定性。最后讨论分析本方法的适用优劣。关键理论和技术即用波动理论和解微分方程的相关知识求解方程，MATLAB编程技术，最小二乘模型修正理论。技术指标是，首先利用反共振频率曲线进行损伤单元定位，其次利用Matlab程序计算定量识别误差探索损伤程度识别的准确度。完成方案主措施为首先需要阅读建立此种方法的几位学者发表的论文，对方法的理论依据、试验验证以及存在的问题全面的了解。然后根据相关学者的研究以及查阅相关文献进行理论的建立。在进行程序的编写和修改以及最后的调试。最后进行各种工况下的损伤定位和损伤程度识别。验证此方法的可行性。数值模拟