基于谱有限元法的杆系结构损伤识别研究开题报告

研究生（开题书面）报告题目：基于谱有限元法的杆系结构损伤识别研究学号 姓名 专业 指导教师 院（系、所） 研究生院制填表注意事项一、本表适用于攻读硕士学位研究生选题报告、学术报告，攻读博士学位研究生文献综述、选题报告、论文中期进展报告、学术报告等。二、以上各报告内容及要求由相关院（系、所）做具体要求。三、以上各报告均须存入研究生个人学籍档案。四、本表填写要求文句通顺、内容明确、字迹工整。目录1课题的来源、目的、意义，国内外概况 41.1课题的来源、目的、意义 41.2损伤及损伤识别的定义 51.3国内外结构损伤识别方法研究现状 51.3.1局部检测方法 51.3.2整体识别法 61.4基于谱有限元法的结构损伤识别研究综述 91.4.1谱有限元法介绍 91.4.2谱有限元法损伤识别研究现状 92本文的主要研究内容 113本文解决的关键问题 124论文研究进展计划 125现有条件、人员及主要设备情况 136经费概算和来源 13参考文献 131课题的来源、目的、意义，国内外概况1.1课题的来源、目的、意义我国是一个自然灾害多发的国家，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服役时间周期长，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。另外，随着改革开放三十年的进程，许多现有建筑已经进入到服役期限的中后期，我国逐渐从大兴土木的建设期转入到旧建筑物维修改造时期或者说建筑结构损伤研究的新时期。鉴定需要进行加固修缮的建筑物，制定出相应最优维修方案，前提必须是能够正确地评估建筑的破损状态，并预测目标年限内结构的可靠度。因此对损伤检测这个亟待解决问题的研究就显得尤为重要，损伤技术的发展及应用将有着重大的社会经济效益和工程实用价值。结构裂纹常常是受到振动荷载和冲击荷载的作用而引起疲劳损伤的累积而产生的。裂纹检测一直是工程上的一大难题。虽然己有多种检测方法，但大多数检测静止或非运动状态的结构。众所周知:结构上裂纹的产生与扩展改变了结构的动力特性，大大影响结构系统的正常工作，严重时可能造成无法估量的后果。为了避免这种现象的发生，必须在一旦有裂纹出现时，就能及时而准确地检测和诊断出来。正由于上述背景，笔者认为本课题的开展对于促进结构损伤诊断技术发展，实现大型、复杂结构的健康监测，提高结构安全可靠度、及时妥善处理结构损伤等是十分必要而又具有重大意义。1.2损伤及损伤识别的定义结构损伤可以定义为结构整体或其某些部分在材料和几何性能上的变化，如结构在刚度、强度、边界及连接条件等方面的蜕变或下降，从而影响结构体系不能达到预定的功能。按其影响程度的不同，可分为轻度损伤、中度损伤和严重损伤。国际材料与结构实验学会（RILEM）关于混凝土结构破损分类的推荐草案中，损伤(Damage)是指结构由于外部力学因素引起的削弱或破损;缺陷(Defect)是指由于设计、施工错误或材料本身的不完善所引起的结构削弱或破损。其中外部力学因素有荷载作用(包括地震、台风等)，基础不均匀沉降以及长期使用产生的疲劳作用，而自然环境也是产生结构损伤的一个不容忽视的主要原因。结构损伤识别是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行识别，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为结构在突发事件和使用期间严重异常时触发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。结构损伤识别技术是一个多领域跨学科的综合性技术，它涉及到土木工程、动力学、材料学、测试技术、信号分析、计算机技术、模式识别等多个研究方向。1.3国内外结构损伤识别方法研究现状1.3.1局部检测方法局部检测方法有超声波法、声发射法、射线法、光学法、涡流法、磁粉法、泄漏法、红外线法。其中，超声波法适用于监测表面与内部缺陷的损伤类型，速度快，对平面缺陷灵敏度高，对关键构件在工作期限内进行在线监测，适用于各种工程结构，包括梁、刚架、板、容器、管道等，主要检验铸件和焊接件；声发射法适用于活动性缺陷的损伤类型，对缺陷的萌生与扩展进行动态检测与监测，适用于各种工程结构，包括梁、刚架、板、容器、管道、水坝、桥墩等；射线法适用于体积类缺陷，分散细小缺陷及表面缺陷的损伤类型，直观，灵敏度高，适用于各种工程结构，包括梁、刚架、板、容器、管道，主要检验铸件和焊接件；光学法适用于体积类缺陷，表面细微缺陷的损伤类型，不需用任何耦合剂，能以非接触方式对物体进行无损检测，对被测件要求低，适用于各种工程结构，尤其在高温环境中或难以接近的工程结构；涡流法适用于表面及内部缺陷的损伤类型，速度快，直观，适用于各种金属结构件；磁粉法适用于表面细微缺陷的损伤类型，灵敏度，精确度和可靠性均与荧光磁悬液有关，适用于各种导磁性工程结构件；泄漏法适用于容器，管道裂缝，方法简单，但灵敏度受限制，主要用于容器、管道的泄漏位置诊断；红外线法适用于表面与内部缺陷及无缺陷区表面温度变化，容器与管道裂缝的损伤类型，非接触，可远距离操作。检验仪器结构简单，适用安全，适用于各种工程结构尤其是高温，难以接近的工程结构。这些方法已经成功地被应用于检查一定部件的裂缝位置、焊缝缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等。近年来，随着光纤传感器、形状记忆合金等新型智能材料的发展，又出现了针对土木工程结构局部损伤检测新的方法。如Lamb波法[1],此方法采用光纤干涉传感器，利用Lamb模态和缺陷的关系检测损伤。但是，局部检测方法都往往需要对结构损伤发生的部位有先验的认识，并要求这些部位容易检测，检查的结果多依赖检测者的经验和主观判断，不能从整体上定量把握结构的性能。从而带来的缺点是，难以预测结构的整体性能的退化，无法实现实时的结构健康监测。1.3.2整体识别法近10余年来，国内外学者一直在研究适合于结构的整体损伤识别方法。现场静载试验是获取结构整体信息的一种比较稳健的测试手段，但是工作量大，结构隐蔽部位的信息还是难以获取的。目前，结构的整体损伤识别方法主要是基于结构动力特性的损伤识别方法，这些方法大致可以分为：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。动力指纹分析法动力指纹分析法的基本思想是寻找与结果相关的“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变化。这些动力指纹的变化可以看作结构损伤的标志，借以识别结构的损伤。常用的动力指纹有：频率、模态振型、模态曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模态确信准则（MAC）和坐标模态确信准则（COMAC）等。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、频响函数等），通过已知条件优化约束，来不断修正模型中的刚度分布，利用被检测结构中任一观测到的局部刚度下降判定损伤的位置和程度[2]。这种方法在划分和处理子结构的问题上具有很多优点。但是由于模型误差、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，使得此方程求解存在亚定问题。针对这些问题，一方面可以考虑利用动力边界条件进行子结构模型修正以减少未知数，另一方面可以通过良态建模、合理划分子结构以及最优布置来获取最大信息量的办法予以解决[3]。神经网络法人工神经网络（ANN）是人脑或自然神经系统若干基本特征的抽象与模拟，由大量的神经元广泛互连而成。神经网络以其处理信息的并行性，自组织性，自学习性，联想记忆功能力以及很强的鲁棒性和容错性，广泛应用于许多领域。神经网络用于结构损伤识别主要是根据结构在不同状态下的反应，通过特征提取，选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入向量，结构的损伤状态作为输出，建立损伤训练样本集。将样本集输入到神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系。将待测结构进行测试的动力参数输入网络，得出损伤状态信息。目前，国内外许多学者都致力于利用神经网络进行结构损伤识别的研究。孙宗光等[4]运用BP神经网络对香港汲水门大桥进行了损伤识别。同济大学李国强[5]利用BP神经网络技术对混凝土框架结构进行损伤识别研究，并取得了很好效果。Kaminiski等[6]通过对固有频率变化的分析，应用神经网络对钢梁的损伤识别进行了探讨，对所有损伤和未损伤情况测量了前五阶固有频率，分别应用频率的绝对变化、频率的相对变化和综合频率变化训练神经网络，对损伤位置的识别进行了研究。遗传算法遗传算法（GeneticAlgorithms简称GA）是1975年由Holland教授提出的，他根据达尔文进化论中的适者生存，优胜劣汰的进化原则来搜索下一代中的最优个体，以得到满足要求的最优解[7]。遗传算法是一类借鉴生物自然选择和自然遗传机制的随机化搜索方法，它将问题的求解表示成“染色体”（用计算机编程时，一般都是用二进制码表示），从而构成了一个“染色体”群。将它们置于问题的“环境”中，根据适者生存的原则，从中选择适应环境的“染色体”进行复制，即通过选择、交叉、变异操作产生新的一代更适应环境的“染色体”群，如此循环往复，使群体中最优个体的适应度和平均适应度不断提高，直至最优个体的适应度达到某一限值或最优个体的适应度和群体的平均适应度不再提高，则迭代过程结束[8]。将遗传算法引入损伤评估的最优化方法中，在测试获取信息不多的情况下，能迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分丢失，遗传算法寻优能力丝毫不受影响，并且遗传算法只需要计算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，容易得到全局最优解，且使用方便，鲁棒性强。基于以上优点，遗传算法比较适合土木工程结构损伤识别问题。Koh等[9]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，进行参数识别。易伟建等[10]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识别，提出了一些改进措施，并应用于固端梁、连续梁和框架等多个结构的损伤识别，取得了满足工程要求的结果。小波分析法小波分析（WaveletsAnalysis）是数学理论中调和分析技术发展的最新成果。可以看作一个传统的Fourier变换的扩展。小波分析的优点在于利用一个可以伸缩和平移的视窗能够聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，提供多个水平的细节以及对原始信号多尺度的近似，既可看到信号的全貌，又可分析信号的细节，并且可以保留数据的瞬时特性[2]。结构模型在环境激励下，结构的损伤可以从相应数据进行小波离散后的细节突变上检验出来，这些突变的位置可以精确地指出损伤发生的时刻。Hou等[11]提出了一种基于小波分析方法的结构损伤识别方法，无论是突然损伤还是积累损伤，损伤的发生以及发生的时刻都可以通过某些数据的小波细节检查出来。他还利用小波分析理论对ASCE提出的健康监测基准问题（HealthMonitoringBenchmarkProblem）中典型的结构的损伤识别问题进行了研究。结果表明，小波方法是结构损伤识别和健康监测的一种很有潜力的方法。孙增寿等[12]提出了用于损伤识别的小波能量变化率指标，并根据此指标提出了用其进行损伤识别的实施步骤。Kim等[13]采用Gabor小波识别简支梁的裂缝，不仅能识别出损伤位置，而且也能够估计出损伤程度。1.4基于谱有限元法的结构损伤识别研究综述1.4.1谱有限元法介绍与传统的有限单元法不同，谱有限元法能得到精确的解答而被认为是一种精确的动力分析方法，其根本原因是其基本的单元刚度矩阵即谱有限元矩阵是基于精确的且与频率相关的形状函数而形成的。同时，由于整体谱刚度矩阵是由谱有限元刚度矩阵聚集而成，而且其聚集过程与传统有限单元法完全一致，因而适用于传统有限元法的程序只需修正单元刚度矩阵和荷载矩阵后就可以适用于谱有限元法[14]。也就是说，谱有限元法是谱分析方法和有限单元方法最基本特征的有机结合，即充分利用了谱分析方法中的先进计算算法和有限单元法中的单元划分与聚集的优点。谱有限元模型最基本的单元是单个的构件，因而与传统的有限单元法相比，它具有较少的单元数目，从而提高了计算效率。因此，依据实测结果修正的谱有限元模型能提供详细而又正确的结构特性。1.4.2谱有限元法损伤识别研究现状近年来谱有限元法广泛用于结构的损伤识别问题，特别是这种方法基于结构的动态响应如位移（速度、加速度），对微小损伤很敏感，引起了各国学者的关注。2002年，Lee和Shin[15]采用谱有限元法对带损伤的平板结构进行了损伤识别，这种方法来源于带损伤板的运动方程的求解，局部损伤是用损伤分布函数定义的，在这种方法中，模态数据是在完好的结构中测量的，而频响函数数据是在损伤了的结构中测得的。为了能够较好的识别损伤，要有足够的频响函数数据和方程，另外采用了一种减少域方法用于搜索和移除未损伤的区域，从而识别结构损伤的位置的大小。2003年，Lee[16]将较少域的损伤识别方法应用到梁谱有限元法，对一个带损伤的简支梁进行了损伤识别，通过三个步骤来减少域，但是如果要将这种方法应用到实际问题中，频响函数数据中的噪音水平应控制在较低水平。2002年，Palacz和Krawczuk[17]利用谱有限元法(波传播方法)对带裂纹的杆件进行了分析，杆的裂缝通过具有抗弯刚度的弹簧[28]来模拟，文中给出了带裂纹杆的谱单元的节点位移，形函数，利用三角函数叠加正弦函数得到的信号正确识别了裂纹的位置。波兰学者Kawczuk和Ostachowicz等人利用谱有限元法在结构识别方面做了深入细致的工作。1994年，Krawczuk利用谱有限元法对带损伤复合材料梁进行了分析，准确识别了损伤的位置[18]。随后Krawczuk和Palacz等结合断裂力学模型和谱有限元法对Timoshenko梁和平板进行了损伤识别[19-20]。2008年，Ostachowicz对采用谱有限元法进行损伤识别的研究进行了综述和总结，文中给出了带损伤的杆、带损伤的Timoshenko梁和伯努利-欧拉梁以及带损伤的板的谱有限元刚度矩阵[21]。Kudelaa和Krawczuka等学者利用基于Lagrange插值多项式的谱有限元法对杆和梁进行了损伤识别，随后又将该方法应用于复合材料平板的损伤识别问题[22-23]。Peng和Meng等将Kudelaa等人的方法推广到三维结构，并成功的对带损伤的平板进行了损伤识别[24]。近年来，Park等结合谱单元法建模和压电阻抗技术实现了一维简单结构的损伤识别[25]。Guo和Sun基于谱单元法对两端简支杆进行了数值建模，并结合压电阻抗法和非线性优化技术实现了简支杆的损伤定位和定量识别[26]。金明凡等人基于谱有限元法，提出了采用遗传算法的结构物理参数识别方法，采用谱单元方法推导带阻尼梁的传递函数矩阵，传递函数的表示为梁的几何和物理参数的超越隐函数，从而避免了传统有限元法传递函数模型受离散化的影响[27]。YWang,XQZhu等人基于克隆选择算法的谱有限元法对带裂纹的钢筋和钢筋与混凝土之间的脱黏进行了损伤识别，分别给出了带裂纹的钢筋谱单元和脱黏谱单元[29]。2本文的主要研究内容目前基于谱有限元法的结构损伤识别，基本处于对结构构件损伤识别的水平上，对较复杂的结构如桁架、框架鲜有文献可查，因此本文的研究目标是基于谱有限元法的框架，桁架裂纹损伤识别。本文的主要研究内容如下：根据文献中给出的带裂纹杆和梁的谱有限元刚度矩阵，推导带裂纹平面桁架和框架的节点位移形函数，变换得到谱有限元刚度矩阵，其中裂纹通过具有抗弯刚度的弹簧来模拟，弹簧的弹性采用文献[28]给出的公式。利用谱有限元法分别对带裂纹的平面桁架和框架进行数值建模和分析，并与传统有限元的分析结果进行对比，验证谱有限元模型的正确性。在桁架和框架上选取不同的测点，利用谱有限元法得到这些测点的动态位移响应，并与有限元法计算的结果做对比,验证谱有限元模型的正确性。本文利用遗传算法来识别框架和桁架裂纹的大小和位置，拟采用测点的动态位移响应建立合适的目标函数。数值模拟不同噪声条件下，单一损伤和多损伤工况，并且考虑不同损伤程度的影响，分别用平面桁架和平面框架进行数值模拟，验证本文提出的模型的正确性和有效性。3本文解决的关键问题基于谱有限元法的框-桁架裂纹损伤识别研究，拟解决的关键问题有：结构的阻尼是结构的固有特性，现有的带裂纹的谱有限元，鲜有引进阻尼的影响，本文拟在带裂纹的谱有限元中考虑阻尼的影响，通过修正带裂纹谱有限元刚度矩阵中的波数，能十分简便的计算结构考虑了外部粘滞阻尼和内部粘弹性阻尼的动力响应。本文将遗传算法引入用于结构的损伤识别，为了将结构损伤识别当作优化问题来考虑，必须定义用于遗传算法的目标函数，利用结构测点的动态位移响应定义目标函数，并研究提高遗传算法的搜索效率并保证得到问题的最优解的改进方法。推导带裂纹框架和桁架的整体谱单元刚度矩阵，建立正确的数值模型，进行数值分析。4论文研究进展计划2020年7月至2020年11月：文献阅读阶段。熟悉和了解相关研究的国际前沿研究动态，完成相关研究的文献调研，提出欲从事研究的具体课题2020年11月至2021年3月：理论分析阶段。进一步深入地阅读文献，深入理解谱有限元法的理论原理，以及有限元实现的方法，还有用于搜索损伤位置和大小的遗传算法的基本原理；2021年4月至2021年9月：数值计算阶段。建立有限元相关模型，计算并分析，根据结果优化模型，从而得到精确的单元模型；2021年10月至2021年11月：整理并撰写论文阶段。完成数值模拟数据整理、研究内容的理论分析与整理工作成果工作，并撰写论文和修改2021年11月论文答辩。5现有条件、人员及主要设备情况人员：主要设备情况：计算机一台6经费概算和来源参考文献[1]TSJang,J.J.Lee,Astudyonnon-concretemeasurementsoflaser-generatedlambwaveusingfilberopticsagnacinterferometeranditspropagationcharacteristics,NEDforHealthMonitoringandDiagnostics,SanDiego,2002,4704-4730.[2]孙鸿敏,李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报,2003,23(3):93-98.[3]綦宝晖,邬瑞锋等.一种桁架结构损伤识别的柔度阵法[J].计算力学学报,2001,18(1):42-47.[4]孙宗光,高赞明,倪一清.基于神经网络的桥梁损伤位置识别[J].工程力学,2004,21(1):42-47.[5]李国强,李杰.工程结构动力检测理论与应用[M].北京：科学出版社,2002.[6]KaminskiPC.Theapproximatelocationofdamagethroughtheanalysisofnaturalfrequencieswithartificialneuralnetworks,Journalofprocessmechanicalengineering,IMechE,1995:117-123.[7]周金荣,黄道.遗传算法的改进及其应用研究[J].控制与决策,1995,10(3):261-264.[8]吴大宏,赵人达.基于遗传算法与神经网络的桥梁结构健康监测系统研究初探[J].四川建筑科学研究,2002,28(3):4-7[9]KohCG,ZhaoSL,LiawCY.Non-destructiveparameteridentificationofstructures,NEDforhealthmonitoringanddiagnostics,SanDiego,2002.[10]易伟建,刘霞.基于遗传算法的结构损伤诊断研究[J].工程力学,2001,18(2):64-71.[11]ZHou,MNoori,Wavelet-basedapproachforASCEstructuralhealthmonitoringbenchmarkstudies,Proceedingofthe3thinternationalworkshoponstructuralhealthmonitoring,StanfordUniversity,Stanford,[12]孙增寿,韩建刚,任伟新.基于小波分析的结构损伤检测研究进展[J].地震工程与振动,2005,25(2).[13]KimYY,KimEH,Anewdamagedetectionmethodbasedonawavelettransform,Proceedingoftheinternationalmodalanalysisconference,Texas,SEM,2000.[14]张俊兵,朱宏平,閤东东,王丹生.基于波谱单元法的结构动力响应分析.华中科技大学学报（自然科学版）,2010,7:62-65.[15]LeeU,ShinJ.Astructuraldamageidentificationmethodforplatestructures.EngineeringStructures,2002,24(9)1177–1188.[16]LeeU.Areduced-domainmethodofstructuraldamageidentification:Applicationtoaspectralelementbeammodel.ShockandVibration,2003,10:313–324.[17]PalaczM,KrawczukM.Analysisoflongitudinalwavepropagationinacrackedrodbythespectralelementmethod.ComputersandStructures,2002，80：1809–1816.[18]KrawczukM.Anewfiniteelementformultipledirectionaldamagesinathincylindricalshell.InternationalJournalofsolidsandStructure,2006,43(9):2723-2743.[19]KrawczukM,PalaczM.ThedynamicanalysisofacrackedTimoshenkobeambythespectralelementmethod.JournalofSoundandVibration,2003,264:1139–1153.[20]KrawczukM,PalaczM,OstachowiczW.Wavepropagationinplatestructuresforcrackdetection.FiniteElementsinAnalysisandDesign,2004,40:991–1004.[21]OstachowiczW.Damagedetectionofstructuresusingspectralfiniteelementmethod.ComputersandStructures,2008,86:454–462.[22]KudelaaP,KrawczukaM,OstachowiczW.Wavepropagationmodellingin1Dstructuresusingspectralfiniteelements.JournalofSoundandVibration,2007,300:88–100.[23]KudelaP,ZakAandKlawezukM,etal