第1章绪论
1.1工程故障诊断的技术手段
结构损伤识别技术属于工程故障诊断的范畴。经各国专家、学者以及广大工程技术人员30年的共同努力,故障诊断学无论在深度方面还是在广度方面都取得了较大的发展,新的诊断理论不断产生,诊断手段不断完善,故障诊断的理论、方法日趋科学化、实用化。检测结构损伤的方法从大类来讲可分为有损检测和无损检测。目前,有损检测方法用得较少,它主要应用于故障解剖,以期详细研究损伤产生及形成机理,主要应用于科研。无损检测的方法很多,总起来可分为直接检测与间接检测。其中直接测试方法不能实时、在线、全局地对结构进行监测,故只能用于静态测试。但直接测试法使用的仪器少,成本低,操作简便,结果准确可靠。间接测试是一种动态测试方法,其实时性、在线性满足了人们对正在运行的设备、工程结构进行监测和诊断的要求,为人们所重视。但间接测试方法所依赖的测试仪器多,测试程序复杂,测试结果存在误判、漏判和模糊判断的特点。从故障诊断的手段上来讲,目前己基本形成以振动测试技术、油液分析技术、温度监测技术以及无损探伤技术等为主要手段的局面。
1.3结构损伤诊断技术的内容
结构损伤诊断主要包括三个方面的内容:(l)结构损伤的识别;(2)结构损伤的定位:(3)结构损伤程度的标定与评价。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层次上,损伤定位是结构故障诊断的核心,也是问题的难点所在;损伤程度的标定与评价通常是对工程结构进行故障诊断的目的所在,是进行结构完整性评定及实施维修决策的依据。对于一个工程结构系统,只要系统的运行状态发生了变化,就必定影响到与之相联系的各个动态物理参数,故障类型与各个物理参量之间的关系强弱不同,只有那些与某种故障类型之间关系紧密、对故障敏感可靠的物理参量才能被用于故障的诊断识别,将这些对故障灵敏、稳定可靠的物理参量称之为故障特征参量,故障诊断首先要研究标定结构故障存在的故障特征参量。结构系统的故障类型千差万别,与每一故障类型相对应,系统必定会通过一个或多个物理参量将其表征出来,但可用作故障特征的参量是有限的,这就引出了如何选择故障特征参量的问题。实践证明,结构故障诊断识别必须选取如下参数:(l)结构系统状态发生微弱变化而获得较大变化一高度敏感性的故障特征参量;(2)依赖于结构系统变化而变化一高度可靠性的故障特征参量;(3)便于检测的一实用性故障特征参量,进行结构损伤识别的关键是确定标识损伤的故障特征参量。
1.4结构损伤振动诊断的研究现状
故障诊断学是根据工程实际的需要,近三十年产生并发展起来的一门综合性边缘学科。就其技术手段而言,己逐步形成振动诊断、油样分析、温度监测和无损检测为主,其它技术或方法为辅的局面。这其中以振动诊断涉及的技术领域最广、理论基础最为雄厚,研究得最为充分而最具生机与活力。振动测试可以在结构处于工作状态下进行,易于把拾振传感器安装在结构深处;用做振动诊断的信号类型多,量值变化范围大,而且又是多维的,便于识别不同类型的故障。随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展,使得数据采集、数据传输以及数据的实时分析技术与处理技术得到提升,振动测试技术易于实现诊断系统的自动化、小型化,因此,基于动力特性的结构损伤诊断方法一直是国际学术界和工程界关注的热点。传统的无损检测技术困DE)包括声反射及超声波法、射线照相法、X光法、涡流法、磁场法、热场法、同位素法及目测法等。这些方法的最大不足是要求预先知道发生损伤的区域,并且要求能够触及检测区域,而对于人力不能到达的区域是无能为力的闭。因此,其广泛应用受到了很大限制。目前,基于结构振动特性的损伤识别方法是应用最广泛、理论最成熟的方法。该方法最初在机械、航空、军事、海洋工程领域展开,其中一些研究成果己得到成功应用。其基本思想是:结构振动特性参数(如固有频率、位移模态等)是结构物理参数(如质量、刚度、阻尼)的函数,损伤一般降低结构刚度、增加结构阻尼,从而使结构振动特性参数及响应参数发生改变。利用常规的模态分析技术,可以获取损伤发生前后的结构振动特性参数或响应参数的变化信息。然后结合特定方法,从中提取出结构物理参数的变化情况,以此来确定结构损伤的出现、位置与程度。
第2章结构损伤识别的基本理论与方法
2.1概述
近年来,损伤分析在抗震评估、加固以及承载能力设计中的应用越来越引人注目。采用损伤指数来描述结构损伤程度的手法,简明扼要,极具吸引力。损伤指数的概念源于损伤力学(在损伤力学中损伤指数被称作损伤变量),自1980年以来损伤理论被广泛应用于金属、混凝士、陶瓷等材料的研究中,在土木工程领域不少学者将这一理论拓展到构件和结构层次上。文献[3]认为损伤是指结构的预定功能受到影响的状态。按其影响的不同,可分为轻微损伤、损伤、严重损伤。损伤,从广义地讲,包括非受力损伤及受力损伤。非受力损伤主要是指施工过程中带来的缺陷,以及使用过程中因温度、湿度、周围侵蚀性介质腐蚀等非受力因素造成的破损,如混凝土的开裂和碳化、钢筋的锈蚀等;而受力损伤是指结构或构件在使用过程中因受力因素而产生的裂缝的出现与开展、钢筋与混凝土间的滑移以及非弹性变形的发展等现象。破坏是指结构完全丧失其预定功能的状态,一般不可修复。文献定义损伤为由于外部因素或人为因素使结构功能降低甚至丧失,其中结构功能包括安全性、适用性、耐久性三个方面。在国际材料与结构实验学会班LEM关于混凝上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、合风等),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[5]。钢筋混凝上结构的损伤可表征为裂缝的产生和开展、刚度退化或降低、截面削弱、钢筋锈蚀、材料品质劣化等外部特征。
第3章 基于神经网络的结构损伤识别.................... 27-48
3.1 人工神经网络的基本理论................... 27-29
3.1.1 人工神经网络模型................... 27-28
3.1.2 人工神经网络的类型................... 28
3.1.3 神经网络的学习训练法则................... 28-29
3.2 BP网络及BP算法 ...................29-35
3.2.1 BP网络 ...................29-31
3.2.2 BP网络误差训练法则................... 31-32
3.2.3 BP算法 ...................32-35
3.3 基于神经网络的结构损伤识别 ...................35-37
3.3.1 基本原理及识别过程 ...................35-36
3.3.2 网络输入参数的选取................... 36-37
3.4 数值仿真分析................... 37-44
3.4.1 分析模型的建立 ...................38-39
3.4.2 矩形梁的损伤判定................... 39-40
3.4.3 矩形梁的损伤定位 ...................40-42
3.4.4 矩形梁的损伤程度标定 ...................42-44
3.5 仿真结果分析................... 44-47
3.5.1 振型对损伤的敏感性分析................... 44
3.5.2 测量误差对识别结果的影响................... 44-46
3.5.3 模型误差影响分析 ...................46-47
3.6 本章小结................... 47-48
第4章 结构安全监测BENCHMARK问题................... 48-65
4.1 BENCHMARK问题有关背景 ...................48-50
4.2 BENCHMARK问题的有限元模拟................... 50-52
4.2.1 benchmark问题有限元模型................... 50
4.2.2 模型动力特性分析................... 50-52
4.3 损伤识别计算................... 52-64
4.4 本章小结................... 64-65
第5章 结论与展望 ...................65-67
5.1 本文总结 ...................65-66
5.2 展望 ...................66-67