基于局部主频率的子结构损伤识别研究与试验

针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的局部主频率方法.子结构的局部主频率指:如果整体模态中含有以局部子结构位移为主的模态,即等价于在局部激励作用下,整体结构的振动主要体现为子结构的振动,并且主要以这阶局部模态振动为主,那么对应的该阶频率即定义为子结构的局部主频率.局部主频率主要反映子结构的局部特性,对子结构损伤的灵敏度高,所以只利用局部主频率就可以识别子结构.当子结构特征不明显时,提出通过附加质量使子结构具有局部主频率的有效方法.该文进行了大型空间桁架的局部动力测试试验,试验中通过附加质量使杆件子结构具有局部主频率,并能准确地识别出杆件损伤的位置和程度.     

联合整体和局部模态信息钢管焊接结构模型修正

由于焊接结点的复杂性、实际测量的局限性以及误差等因素,钢管焊接结构的模型修正一直是研究的热点和难点问题。对一个发射台骨架进行了整体及局部模态试验,获得了反应结构整体动态特性的低阶模态及局部动态特性的局部模态,并将二者联合起来,采用信赖域优化算法进行模型修正。在优化过程中,通过提出的加权系数可动态改变的多目标函数,在每次迭代完成后可根据目标函数数量级的变化自动调整加权系数,使得模型修正过程能够更加合理有效的利用结构的整体及局部模态信息,达到更好 “联合”。修正后有限元模型的计算模态与实测模态吻合良好,验证了本文方法的有效性和优越性。     

哈尔滨四方台斜拉桥模态参数和索力识别

桥梁的模态参数是修正有限元模型、识别损伤及桥梁状态评估的重要参数。动力测试是获得模态参数的必要途径。建立了哈尔滨四方台大桥的有限元模型;利用8个力平衡加速度传感器采用分组测试的方式测试了桥面加速度,利用压电传感器测试了斜拉索的加速度;联合NExT法和ERA法进行了斜拉桥模态参数识别,并将识别结果与有限元模型的计算结果进行了对比分析;采用拉索基频的频差拟合识别法进行频率及索力识别,并进行了实测索力与设计索力的对比分析     

基于附加虚拟支座的结构损伤识别方法

本文针对土木工程中实测模态相对较少,很难进行大型结构的损伤识别的困难,提出附加虚拟支座的损伤识别方法。该方法利用约束子结构方法在结构上附加虚拟支座来增加结构形式的方法,增加识别模态的数量,从而实现结构的准确损伤识别。约束子结构方法的基本思想是通过响应的卷积组合为零将传感器转化为虚拟支座。将附加虚拟支座后的结构定义为虚拟结构,每个虚拟支座对应一个虚拟结构,那么在结构上不同位置附加虚拟支座,则可以获得多个虚拟结构的模态;联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速的识别出整体结构的损伤。最后通过三层空间框架模型验证方法的有效性。     

基于局部静力测试的约束子结构修正法

针对局部子结构为修正对象的情况,提出只利用整体结构中局部子结构部分的静力位移即可精确修正子结构模型的约束子结构方法。首先利用静力测试获得局部子结构所对应的局部柔度矩阵,通过在子结构边界处施加虚拟固定支座,把子结构从整体结构中隔离出来成为约束子结构,同时构造出该约束子结构相应的柔度矩阵。然后利用柔度扰动新方法优化修正约束子结构,即等同于修正相应的子结构模型,从而可对该子结构的损伤状况作出评估。以一个平面桁架结构为例对所提方法进行了验证。结果表明,所提方法合理可靠,计算简单快捷且精度良好。     

基于PolyMAX的声固耦合模态试验研究

白车身的结构模态频率和模态振型反映了汽车车身结构的固有特性,对车内噪声有重要影响。车内空腔跟车身结构一样,同样拥有模态频率和模态振型。采用LMS数据采集系统对某国产SUV进行车内空腔声学模态试验。首先基于传声器阵列的方法获取响应点的信号,然后利用PolyMAX方法提取声学模态频率及振型。将声学模态频率与白车身结构模态频率进行对比分析,结果表明：车内空腔的第一、二阶声学模态分别跟白车身的第四、十阶结构模态有很强的耦合。最后通过实车测试验证了声固耦合共振时低频轰鸣的存在。可以在关键部件增加板厚、顶盖和地板附加阻尼层、顶盖加加强筋等方式改变车身结构的局部模态来破坏车身结构模态和声腔模态的强耦合状态,降低车内的低频轰鸣声     

应用动力单元法进行空间索网结构自由振动分析

索网结构具有成型跨度大而结构重量轻的优点,因此在空间航天领域得到了广泛应用。目前对索网结构的动力学分析主要是采用集中质量法或有限单元法进行低阶模态的分析,这些方法得到的较高阶频率和模态,其精度和实用性都不理想。动力单元法采用含有固有频率的动态形函数作为动力学分析离散单元中的插值函数,该形函数由单元动力学控制微分方程导出,因此能给出比有限元法更高的求解精度。在总结研究动力单元法理论的基础上,推导了张紧索单元的动力单元矩阵。采用动力单元法对几个典型的空间张紧索网结构进行动力学特性的分析,并将分析结果与传统有限元分析结果进行比较。     

索力振动测量的传递矩阵法

振动法测量拉索张力需要准确描述索力与自振频率的关系,在建立拉索振动的离散模型基础上应用传递矩阵法计算拉索固有频率,通过求解特征方程建立了索力与振动频率的关系;然后将计算得到的模态频率与测试得到的模态频率比较,通过修正拉索张力计算值使计算频率与实测频率误差最小,最后修正的拉索张力则为拉索实际张力。通过对实际工程的测试结果分析表明,该方法具有准确、实用和易编程的特点,完全能满足工程应用要求。     

直筒-锥段型钢结构冷却塔平均风荷载及静风响应分析

作为一种新颖的典型风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔的动力特性和风致受力性能亟待研究。以国内拟建的某超大型钢结构冷却塔(189 m)为例,基于有限元方法分别建立主筒、主筒+加强桁架、主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)、主筒+加强桁架+附属桁架(固接)四种钢结构冷却塔模型,并对比分析其动力特性及传力路径;然后基于计算流体动力学(CFD)技术进行直筒-锥段型冷却塔表面平均风荷载数值模拟,有分别加载规范和数值模拟风压对四种模型进行风致响应分析,对比研究增设加强桁架、附属桁架及与主筒和地面不同连接方式对直筒-锥段型钢结构冷却塔动力特性和静风响应的影响。主要研究结论可为我国此类超大型钢结构冷却塔的结构选型和抗风设计提供依据。     

大跨度高空钢结构连廊的有限元模型修正

使用基于灵敏度分析和贝叶斯估计的有限元模型修正方法对复杂连体高层建筑群杭州市民中心的高空钢结构连廊进行了有限元模型修正.通过频率误差和模态置信因子计算,比较分析了修正前连廊数值模型的模态参数和基于环境激励下实测得到的连廊模态参数,以确定数值模型动力特性与实际结构动力特性的差异.通过模态参数对连廊构件物理参数的敏感度分析构造灵敏度矩阵,并在此基础上筛选出对结构模态参数影响程度大的参数.基于贝叶斯估计法构造参数加权矩阵和响应加权矩阵,根据待修正参数初始设计值的置信度设置参数允许的上下边界值,按一定的收敛准则进行迭代修正.修正后连廊模型的动力特性与实测动力特性有很好的一致性,修正模型可以用来对连廊进行振动控制、响应预测及性态评估.     

基于Bayesian估计的整体和局部信息融合的损伤识别

在结构损伤识别中,如何充分利用整体和局部传感器测试得到的信息来增加结果的准确性是一个值得研究的问题。该文提出基于Bayesian 理论的结构整体局部信息融合的损伤识别方法。首先根据Bayesian理论建立了关于频率、位移模态和应变模态结构损伤的概率模型,静态应变信息提供了Bayesian理论的先验信息,使该概率模型充分利用了各种传感器信息;然后为了减少计算量,采用分步损伤识别的方法,在采用模态应变能指标初步定位损伤范围的基础上,用该文提出的逐个单元消去法定位损伤单元。最后对20 跨刚桁架模型进行试验研究证明了该方法的有效性,并且比较考虑与不考虑应变传感器信息的损伤识别结果。     

基于统计分析技术的有限元模型修正研究

采用统计学的方差分析和回归分析技术研究模型修正的有关问题,主要包括基于方差分析的参数筛选、基于回归分析的响应面拟合和利用响应面进行模型修正三个方面。目前工程上采用的基于灵敏度分析的参数挑选方法根据参数在某设计点处的灵敏度进行挑选,而基于方差分析的参数筛选是从全局的角度,在整个设计空间上挑选对特征量有显著影响的设计参数。基于响应面的修正方法,首先在参数的整个设计空间范围内利用回归分析技术,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,然后在其基础上进行迭代修正。提出的方法不但可以应用于线性、低频等现有的模型修正方法适用的范围,而且易于推广到非线性、冲击等现有修正方法较少涉及的领域。此外,现有的方法由于每次迭代都需要调用有限元分析软件进行计算,在缺少软件接口的情况下,较难实现工程应用。这种方法只在准备样本数据时需要进行有限元分析,修正过程中无需调用,因而利于工程应用。GARTEUR飞机模型有限元模型的修正结果验证了方法的有效性     

浮桥运动响应分析的非线性间隙单元构造与应用

因浮桥接头动力响应的复杂性, 至今仍未找到一种通用的方法模拟接头的动力特性, 使得对浮桥进行建模并求解其的动态响应时存在较大困难。利用杆单元模拟接头的抗拉和抗压特性, 并利用梁单元的抗弯特性, 把两者结合组成非线性混合单元, 可以较好地模拟接头的特性和求解浮桥的动态响应。对数值计算和已有的模型试验结果的分析发现, 在快速通载时非线性连接浮桥会发生位移波堆积效应。     

基于空间位形的在役索膜结构有限元模型修正与安全评估

索膜结构的内力分布与空间位形相互关联,受施工阶段的几何找形与服役阶段的结构损伤、性能退化等影响,在役索膜结构的实际位形与设计状态有所差异,结构的服役性态未知,工程上的安全评估难以操作且并无可靠方法借鉴。该文提出了一种基于空间位形指标的在役索膜结构有限元模型修正方法,以模型中拉索的初始预应力作为优化参数、以结构关键节点坐标的匹配作为模型修正目标函数,通过构建基于结构特征点空间位置信息的目标函数来反映有限元模型与实际结构的吻合度,设计ABAQUS与MATLAB联合仿真优化程序,利用全局搜索和局部优化实现模型修正。现场试验采用三维激光扫描获取在役索膜结构空间位形信息,基于实测数据对有限元模型进行修正。修正后模型与实际结构受力状况更为接近,与索力的实测结果对比表明,有限元模型的索力由修正前最大偏差10%~30%降低至10%以下,验证了方法的有效性与准确度。利用修正后的有限元模型实现了在役索膜结构的安全评估。     

Model updating based on an affine scaling interior optimization algorithm

Finite element model updating is usually considered as an optimization process. Affine scaling interior algorithms are powerful optimization algorithms that have been developed over the past few years. A new finite element model updating method based on an affine scaling interior algorithm and a minimization of modal residuals is proposed in this article, and a general finite element model updating program is developed based on the proposed method. The performance of the proposed method is studied through numerical simulation and experimental investigation using the developed program. The results of the numerical simulation verified the validity of the method. Subsequently, the natural frequencies obtained experimentally from a three-dimensional truss model were used to update a finite element model using the developed program. After updating, the natural frequencies of the truss and finite element model matched well.     

结构有限元模型修正的自适应响应面方法

针对结构有限元模型修正可能陷入局部最优点的问题,提出了基于具有全局收敛特性的自适应响应面的结构有限元模型修正方法,模型修正过程中在全局最优解附近不断收缩参数设计空间,重构更为精确的响应面模型,同时,由于采用了拉丁超立方设计选择样本点,具有一定的遗传性,在使用过程中可以有效减少样本点总数。通过实例计算表明,传统的有限元模型修正方法很可能陷于局部最优,而利用该方法进行有限元模型修正时,可以有效避免陷入局部最优点,只需较少样本点便可收敛于全局最优解,有效的进行有限元模型修正。     

考虑接头作用的全复合材料桁架结构多尺度分析

为提高全复合材料桁架分析的精度和效率,引入结构多尺度有限元思想,对接头进行精细化建模,通过建立两点位移约束实现不同尺度模型连接,从而将接头模型嵌入宏观桁架模型,并针对具体制备工艺赋予桁架材料属性。为验证多尺度模型的优势,同时进行全复合材料桁架实验,以及分别基于全部梁单元模型和全部实体单元模型的有限元分析。对比相关模型的计算精度与效率,结果表明多尺度模型能够较好地兼顾计算精度与效率。该文针对全复合材料桁架的结构多尺度有限元建模方法,可精确分析全复合材料桁架承载性能,并且能够提供有效的局部信息,可用于分析其他包含复杂细节构造的大尺度复合材料结构。     

考虑螺栓球节点半刚性的网格结构有限元模型修正研究

为获取用于螺栓球节点网格结构健康监测准确有限元模型,用具有刚度可调节点单元描述节点半刚性;采用神经网络技术,利用有限测点模态信息构造网络输入参数CPFM,提出对螺栓球节点单元刚度折减系数进行分步修正新方法。以单层柱面网壳振动台试验模型为例,在螺栓球节点精细化模型基础上,基于实测模态数据对其进行有限元模型修正。结果表明,修正后有限元模型能较好反映该网壳结构的真实动力特性,采用分步修正算法能精简神经网络结构,可有效用于螺栓球节点网格结构有限元模型修正,具有一定实用价值。