考虑随机缺陷网壳结构损伤识别理论及试验研究

1、目录目录2研究背景研究背景 （3-12） 1主要研究内容主要研究内容 （13-23）2进度计划进度计划 （24）3研究背景研究背景- -选题意义（选题意义（1 1）31 1 健康监测是土木工程当前的研究热点，健康监测是土木工程当前的研究热点， 损伤识别是健康监测的核心内容。损伤识别是健康监测的核心内容。42 2 空间结构承受荷载随机性强。初始缺陷、局部杆件空间结构承受荷载随机性强。初始缺陷、局部杆件损伤均能显著地影响结构的承载能力和动力特性。损伤均能显著地影响结构的承载能力和动力特性。 随机缺陷随机缺陷施工中很容易施工中很容易出现误差出现误差施工不当导致压杆屈曲施工不当导致压杆屈曲概率论概率论

2、与与数理统计数理统计研究背景-选题意义（2）5法国戴高乐机场法国戴高乐机场倒塌现场倒塌现场一旦出现事故，一旦出现事故，影响巨大影响巨大20102010冬奥会主会冬奥会主会场穹顶坍塌场穹顶坍塌3 3 大型空间结构一般都是地标性、标准型建筑，工程意大型空间结构一般都是地标性、标准型建筑，工程意义重大义重大 研究背景-选题意义（3）6研究背景研究背景研究背景研究背景-国内外现状（国内外现状（1） 7000Z可靠状态极限状态失效状态用 表示结构的工作状态，称作结构的功能函数。则结构的工作状态可表示为： 概率密度函数针对空间结构随机缺陷针对空间结构随机缺陷可靠度基本理论可靠度基本理论123( ,)nZg

3、 x x xx(,)zzN 工程结构需要有一定的可靠性，是因为工程结构在设计、施工、使用过程中具有种种影响结构安全、适用、耐久的不确定性。结构可靠度数值模拟方法结构可靠度数值模拟方法 1，蒙特卡罗法蒙特卡罗法 (Monte Carlo Simulation, MCS)， 2，响应面法响应面法（Response Surface Method, RSM)nkPg(x)Pnflim08研究背景研究背景-国内外现状（国内外现状（2）国内外的健康监测国内外的健康监测技术已经过多年发技术已经过多年发展，多种技术手段展，多种技术手段基于模态域数据基于模态域数据基于时间基于时间域数据的域数据的方法方法基于时频

4、基于时频域数据的域数据的方法方法基于固有频率的方法基于振型的方法基于应变模态的方法根据结构在一段时间前后的响应信息来识别损伤小波奇异性检测神经网络法小波包变换方法空间结构健康监测理论基于通用健康监测理论研究背景研究背景-国内外现状（国内外现状（3）9ijIndex( )( )udi jijij ( )( )( )udMSC jjj 2(1)2( )(1)( )iiiijjjjh ( )( )( )udSM jjj 2( , )TudijTTuuddiijjMAC i jmidijmiuijmidijuijjCOMAC121221)(2 ) 1()(2) 1()(hjfjfjfjfiiiiiji

5、jdijijMSEMSEMSEMSECRijTiijKMSE基于模态域数据的主要方法基于模态域数据的主要方法ii( )uij( )dijijhjui( , )MAC j ji( )uij( )dij动力指纹动力指纹计算公式计算公式公式说明公式说明固有频率比固有频率比为结构的第为结构的第 阶固有频率，该指标消去了损伤程阶固有频率，该指标消去了损伤程度的影响，而仅与损伤位置有关度的影响，而仅与损伤位置有关固有振型变化固有振型变化 分别为结构损伤前后第分别为结构损伤前后第i阶第阶第j自由度的振型自由度的振型 振型曲率变化振型曲率变化为模态阶次；为模态阶次； 为测点号；为测点号； 为为 测点两侧的单元

6、测点两侧的单元长度长度应变模态振型应变模态振型为结构的应变模态振型为结构的应变模态振型MACMAC 是结构损伤前的第是结构损伤前的第 阶模态向量阶模态向量 值等于值等于1 1或接近或接近1 1，认为两模态相关，损，认为两模态相关，损伤未发生；否则破损已发生。伤未发生；否则破损已发生。COMACCOMAC 分别代表损伤前后第分别代表损伤前后第i阶模态在阶模态在j点的模点的模态值，态值，m为所考虑的模态数目为所考虑的模态数目 柔度曲率柔度曲率h h为第为第j j测点两侧的单元长度测点两侧的单元长度模态应变能模态应变能研究背景研究背景-研究不足（研究不足（1）不足之处：1 自振频率密集型结构，动力特

7、性复杂。大部分结构具有对称性。 缺乏有针对性的损伤识别方法，空间结构重频模态描述方法存在不足。1011研究背景研究背景-研究不足（研究不足（2）不足之处：不足之处：2目前都是进行确定性的结构分析， 概率意义上的结构分析进行的少， 结构可靠度数值模拟方法 受软件限制ANSYS中PDS部分的例题112研究背景研究背景-研究不足（研究不足（3）不足之处：不足之处：3目前缺乏识别结构小损伤的有效方法，尤其是对局部构件弹性模量下降在10%之内的损伤难以识别。构件刚度减少30%以上的时候，损伤很可能已经可以用肉眼识别，再进行监测意义已经不大。主要研究内容主要研究内容131 1）基于随机有限元和灵敏度分析的

8、具有初始缺）基于随机有限元和灵敏度分析的具有初始缺陷的空间结构损伤模拟陷的空间结构损伤模拟 2 2）空间结构模态分析和损伤特征统计分析）空间结构模态分析和损伤特征统计分析3 3）空间结构统计损伤识别方法及试验研究）空间结构统计损伤识别方法及试验研究14主要研究内容主要研究内容- -拟定章节拟定章节第一章 绪论第二章 参数统计特征及敏感性分析第三章 损伤数值模拟及统计分析第四章 基于统计的损伤识别方法第五章 空间结构损伤识别试验第六章 结论与展望主要研究内容主要研究内容- -参数的随机性统计参数的随机性统计157L/6000 13L/6000 正态分布坐标初始缺陷0.0090.3正态分布泊松比0

9、.00010.01正态分布壁厚0.0030.3正态分布管径6.18e92.1e11正态分布 弹性模量 E方差方差均值均值分布类型分布类型名称名称max1/ 300Lmin1/1000L主要研究内容主要研究内容-参数的敏感性分析参数的敏感性分析16主要研究内容主要研究内容-参数的敏感性分析参数的敏感性分析17主要研究内容主要研究内容-参数的敏感性分析参数的敏感性分析18统计意义下的小损伤更加难以识别，在已有大量样本统计意义下的小损伤更加难以识别，在已有大量样本的基础上，根据距离判别的方法，实现损伤的判别的基础上，根据距离判别的方法，实现损伤的判别19主要研究内容主要研究内容-拟解决的问题（拟解决

10、的问题（1）1阶模态Zernike矩幅值 2阶模态Zernike矩幅值 1、2阶模态Z71相位角 第1、2阶模态Zernike矩 振型Zernike矩损伤识别新指标MACZernike矩矩Zernike多项式多项式i阶模态振型阶模态振型运算计算各阶计算各阶Zernike矩值矩值复数矩阵幅值幅值相位角相位角20 工况110第9阶模态Zernike矩幅值集 工况1620第9阶模态Zernike矩集 工况1115第9阶模态Zernike矩集工况1115为相同类型杆件相同程度的损伤相同类型杆件相同程度的损伤引起Zernike矩幅值相同的变化，而其相位角存在差异工况1620为不同类型杆件相同程度的损伤不

11、同的工况在幅值和相位角方面都存在差异工况110为单一杆件不同程度的损伤Zernike矩 幅值不同，相位角不同 工况110第9阶模态Zernike矩幅值集主要研究内容主要研究内容-拟解决的问题（拟解决的问题（2）21输入输入ZernikeZernike矩矩算法算法 支持向量机支持向量机输出输出损伤识别损伤识别基本思想是将样本空间映射到特征空间(其维数通常比样本空间高) ,在特征空间中求出原样本集的最优分类面,找出支持向量机来进行模式分类。主要研究内容主要研究内容- -拟解决的问题（拟解决的问题（3 3）本论文以Zernike矩、小波频带能量等损伤特征指标作为支持向量机的输入，经过样本训练，实现对空间结构小损伤的识别。如果可行，该方法对密频结构的小损伤比较敏感，且具有统计意义。SVM与神经网络类似，都是学习型的机制，但与神经网络不同的是SVM使用的是数学方法和优化技术。SVM的特点是升维、线性化和小样本。支持向量机(Support vector machines，SVM) 模式识别方法v试验中对理论的验证22主要研究内容主要研究内容-拟解决的问题（拟解决的问题（4）试验试验试件切割试件切割焊接焊接试验试验螺栓杆拆卸螺栓杆拆卸螺栓杆安装螺栓杆安装主要研究内容主要研究内容-拟解决的问题（