基于模态参数的结构损伤识别的方法

第9章基于模态参数的结构损伤识别方法哈尔滨工业大学土木工程学院2013年6月27日课程《结构损伤识别与健康监测》主要内容•引言•损伤识别发展过程•基于模态参数的经典损伤识别方法•例子9.1引言全世界重大工程结构倒塌事故时有发生不包括地震，全世界：近40余座桥梁发生倒塌。美国每年桥梁投资：90％桥梁维修，10％新建桥梁美国近60万座桥梁：性能不足的占所有桥梁的28.6%美国和日本等：经济腾飞时建造的桥梁性能衰退最快我国：公路危桥为9597座，每年实需维修费38亿元我国已建公路和铁路总里程达到423万公里和11万公里，位居世界第二!公路桥梁69万座（世界第一）铁路桥梁6.5万座（世界第一）1999年重庆綦江彩虹桥（巴西P－36平台破坏，2001）2000年台湾高屏大桥2000年南门大桥事故辽宁盘锦田庄台大桥（2004年6月10日）结构健康监测技术成为保障重大工程安全的重要途径结构损伤识别技术成为热点的研究课题结构是否损伤?完整的损伤识别过程结构损伤位置?结构损伤类型?结构损伤程度?结构是否安全？9.2结构损伤识别研究现状基于自振频率的结构损伤识别方法基于振型的结构损伤识别方法模态置信度判据法（MAC,COMAC）曲率模态法柔度法刚度法β指标法残余力向量法基于传递函数（频响函数）的结构损伤识别方法基于时间序列信号分析的结构损伤识别方法pjxxjtejtxtx1AR模型HoonSohn(2000)基于统计的结构损伤识别方法Bayesian理论随机有限元基于模式分类的结构损伤识别方法神经网络支持向量机K.Worden（2001）基于信号处理的结构损伤识别方法小波变换HHT变换非线性结构损伤识别方法分形维数Chaos（混沌）关键问题测试噪声及各种环境不确定性干扰环境综合激励并非理想白噪声测试自由度及模态不完备测试技术及仪器精度的制约土木工程结构的损伤识别问题目前没有真正的解决9.3经典损伤识别方法通过频率进行损伤识别，首先可以通过频率的变化直接判断结构是否发生损伤，也即udjjj(1)基于频率的损伤识别方法如果测得结构的某几阶频率降低，可以判断结构发生了损伤，这样简单直观，但是稳定性较差，容易受噪声和环境因素等影响。因此可以结合概率统计的方法，观测一段时间内的频率变化来判断是否损伤。ujdj是损伤前后的结构实测频率(2)基于振型的损伤识别方法1）模态置信度判据法（ModalAssuranceCriteria）模态置信度判据法是利用模态置信判据进行损伤识别（如MAC、COMAC）。其原理是：当损伤未发生时，模态置信度判据为1。可一旦破坏发生，由于振型的变化，模态置信度判据不等于1。2MAC,1,2,TujdjjjTTujujdjdjudjnPandey等人提出，当得到损伤结构和完好结构的振型后，每一个位置处的曲率便可以用中心差分法近似地得到：2）曲率模态法2,1,,1''/2hjijijiijjujdj''''''对所取结构振型超过一个时，总的曲率差为各个模态曲率差的和jjiiv'',TΦMΦI1TΦΦMKΦMΦΛ1NTTiiiiKMΦΛΦMMMΛΦ已知结构的固有频率与振型已知特征方程，对特征方程两端右乘1Φ3）柔度法柔度矩阵是刚度矩阵的逆1KF1ΦΛFMΦ1ΛKΦMΦΛ再将式右乘得：1TΦΦM1TΦΛΦMFM1211NTTiiiiFΦΛΦuF令结构损伤前后柔度矩阵为，dF则损伤前后柔度矩阵的变化量为udFFF将F对角线元素标准化，可以用来作为损伤指标udjjjjFjujjFFF9.3例子损伤工况：单元损伤分别为：10%，20%，40%，60%响应数据加噪声：0、2%、5%、10%、15%、20%测点布置方案8测点12测点2.4曲率模态法振型的识别8测点，无噪声8测点，20%噪声12测点，无噪声12测点，20%噪声8测点123456780.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤123456780.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-1010%损伤20%损伤40%损伤60%损伤传感器位置编号123456780.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-118.0x10-119.0x10-111.0x10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-1010%损伤20%损伤40%损伤60%损伤传感器位置编号123456780.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-118.0x10-119.0x10-111.0x10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-101.4x10-1010%损伤20%损伤40%损伤60%损伤传感器位置编号123456780.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-118.0x10-119.0x10-111.0x10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-101.4x10-1010%损伤20%损伤40%损伤60%损伤传感器位置编号123456780.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-118.0x10-119.0x10-111.0x10-1010%损伤20%损伤40%损伤60%损伤传感器位置编号10%噪声15%噪声20%噪声无噪声2%噪声5%噪声曲率模态法123456780.02.0x10-124.0x10-126.0x10-128.0x10-121.0x10-111.2x10-111.4x10-111.6x10-111.8x10-112.0x10-11传感器位置编号无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声123456780.05.0x10-121.0x10-111.5x10-112.0x10-112.5x10-113.0x10-113.5x10-114.0x10-114.5x10-11无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号123456780.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-118.0x10-11无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号123456780.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-10无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号40%损伤60%损伤10%损伤20%损伤曲率模态法1234567891011120.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤1234567891011120.05.0x10-111.0x10-101.5x10-102.0x10-102.5x10-103.0x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤1234567891011120.05.0x10-111.0x10-101.5x10-102.0x10-102.5x10-103.0x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤1234567891011120.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0x10-103.2x10-103.4x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤1234567891011120.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0x10-103.2x10-103.4x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤1234567891011120.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0x10-103.2x10-103.4x10-103.6x10-10传感器位置编号10%损伤20%损伤40%损伤60%损伤12测点10%噪声无噪声2%噪声5%噪声15%噪声20%噪声曲率模态法1234567891011120.05.0x10-121.0x10-111.5x10-112.0x10-112.5x10-113.0x10-11无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号1234567891011120.01.0x10-112.0x10-113.0x10-114.0x10-115.0x10-116.0x10-117.0x10-11无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号1234567891011120.02.0x10-114.0x10-116.0x10-118.0x10-111.0x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-10无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声传感器位置编号1234567891011120.05.0x10-111.0x10-101.5x10-102.0x10-102.5x10-103.0x10-103.5x10-10传感器位置编号无噪声2%噪声5%噪声10%噪声15%噪声20%噪声40%损伤60%损伤10%损伤20%损伤曲率模态法