基于柔度曲率矩陣的結構損傷識別研究.pdf

1、結構損傷識別的主要研究內容是對各種工程結構進行檢測并對檢測結果做適當?shù)姆治?，從而確定該結構的健康狀況。它所處理的是結構內部、肉眼不可見的損傷，檢測手段通常要求是非破壞性的，而識別結果將作為結構安全使用與維護的重要依據(jù)。各種識別方法要解決的三個關鍵問題是：(1)結構中是否存在損傷；(2)確定結構中損傷的位置；(3)確定損傷的程度或形式。損傷識別問題的提出有著重要的工程背景，其研究涉及航空航天、交通運輸及建筑等眾多領域。同時結構損傷識別也是

2、力學和工程中一類典型的反問題，其中工程實際中提出的反問題往往是待定多個未知函數(shù)，即幾類反問題可能在一個實際問題中同時出現(xiàn)。為了簡化求解或使求解成為可能，常用的處理方法是把某些待定或不確定的函數(shù)視為已知，先分解難點，再逐步進行求解，所以損傷識別也同時具有理論意義。
　　 結構損傷會對結構的物理特性如剛度、質量、阻尼等產生影響，那么結構的模態(tài)參數(shù)如固有頻率、振型等也會隨之改變，這些現(xiàn)象被廣泛的應用到結構損傷監(jiān)控和檢測中，所以將結構振

3、動測試數(shù)據(jù)用于結構損傷識別的研究得到了眾多研究者的重視。研究表明模態(tài)柔度比固有頻率或振型對局部損傷更敏感，可以很好地用于識別結構損傷。
　　 柔度矩陣可通過由測試得到的結構前幾階固有頻率和模態(tài)振型來較為精確地構造出來。根據(jù)振動理論，對于多自由度系統(tǒng)，利用柔度矩陣與剛度矩陣的互逆性，可得到柔度矩陣。柔度矩陣元素反比于固有頻率的平方，即低階振動的模態(tài)和頻率信息在柔度矩陣中所占的影響成分很大。實際應用中一般只能測得結構最低的幾階模態(tài)與

4、頻率，以此來近似得出實際的柔度矩陣。在利用結構剛度矩陣進行損傷識別的算法中，有限的低階模態(tài)信息使剛度矩陣的近似誤差較大，而利用柔度矩陣則可避免這一缺點。
　　 提出了基于柔度曲率的板結構損傷識別的理論，推導了二維結構的柔度曲率公式并基于此公式給出板結構的損傷指標即柔度曲率矩陣。此理論在判斷板結構中是否存在損傷的同時即可判斷結構中損傷的位置。之后定義了等效柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線并通過仿真模擬，回歸了板結構的損傷程度

5、的判別公式。仿真分析表明，該方法可以很好的判斷損傷位置及損傷程度。
　　 基于板結構理論發(fā)展了基于柔度曲率的加筋板結構損傷識別的理論，先對加筋板中板結構進行識別，然后對筋進行損傷識別。由損傷結構的柔度曲率矩陣繪出圖像，或者由矩陣的行或列曲率圖，通過比較就能直接得出損傷位置。通過數(shù)值仿真給出了另外幾個不同于原來的重要的損傷指標矩陣，驗證并完善了所提出的理論。通過這些損傷指標矩陣可以將加筋板結構的多損傷識別過程簡化為至多兩個損傷的損

6、傷識別。
　　 建立了基于柔度曲率的柱殼結構損傷識別的理論。提出一種基于柔度曲率的柱殼結構的分析方法和判斷準則，首先得到柔度損傷指標矩陣，再對柱殼結構的軸向、周向分別進行柔度曲率分析來判斷損傷位置。其中在軸向分析中通過類似于第二章的分析方法得到軸向柔度曲率矩陣；在周向分析中把管狀結構考慮成為一組“圓環(huán)結構”的集合，再借鑒圓曲率的方法，得到了周向的柔度曲率矩陣，通過軸向或周向的柔度曲率矩陣，就可以對損傷位置進行較好的判斷。在仿真分

7、析中可以看出，無論位移還是轉角的柔度曲率矩陣能夠很好的判斷損傷位置。定義了柔度曲率變化率，給出了ECR-SD曲線，并通過大量的仿真分析回歸了損傷程度公式。在損傷定位的同時，通過損傷位置的坐標以及柔度曲率變化率就可以進行損傷程度的分析。
　　 進行了對邊簡支和三邊簡支的損傷鋁板的模態(tài)實驗，得到了兩種板結構的模態(tài)振型和固有頻率。其中對邊簡支板結構進行了SISO模態(tài)實驗與純模態(tài)實驗，三邊簡支進行了SISO模態(tài)實驗。通過所得到的數(shù)據(jù)進行

8、板結構的損傷識別，進而來驗證本文前面所提出的理論方法，實驗結果雖然不像仿真模擬中的效果明顯，但還是可以較好進行損傷識別，其中用純模態(tài)實驗中得到的模態(tài)數(shù)據(jù)進行損傷識別結果較好。
　　 用結構模態(tài)對結構進行損傷識別，通常都要用到結構未損傷前的模態(tài)信息。對于機械工程、船舶工程、海洋平臺等大型工程結構，就要在工程結構建好之后，馬上進行模態(tài)分析，以備份未損傷的模態(tài)信息，但這就需要大量的人力物力，這是不經濟的，因此，沒有原始模態(tài)參數(shù)的結構損