重庆交通大学研究生考试结构损伤诊断与评估试题答案

结构损伤诊断与评估试题
1、结构损伤识别的问题主要有几个层次？每个层次有哪些研究内容和难点？
答:据损伤对结构的作用，可将其分为线性损伤和非线性损伤。

如果线弹性结构在遭受损伤后仍保持线弹性，则将这种损伤定义为线性损伤。

结构几何或材料特性的改变会导致模态改变，但结构的响应仍然可以应用线性运动方程模拟。

初始线弹性结构在损伤发生后表现出非线性行为，这类损伤称为非线性损伤。

比如结构中疲劳裂纹的形成以及在正常运营振动环境下的张开和闭合。

损伤识别可分为4个递进层次：
1）确定结构中是否存在损伤(Detection)。

2）在第一层次的基础上确定损伤的几何位置(Localisation)。

3）在第二层次的基础上对损伤的严重程度进行量化(Assessment)。

4）在第三层次的基础上预测结构的剩余使用寿命(Prediction)。

迄今为止，对于不使用结构模型的基于振动的损伤识别方法，主要能进行第①层次和第②层次的损伤识别。

当振动的方法与结构模型结合，在某些情况下可以达到第③层次的损伤识别。

而第④层次的损伤识别与预测通常要与断裂力学，疲劳寿命分析，结构设计评估的领域相结合才可能实现。

现有研究主要集中在线性损伤的识别和检测问题。

这种线性方法可进一步分为基于模型的识别方法和不基于模型的识别方法（略）。

（1）基于模型的损伤识别方法
1.1模式匹配法(Pattern Matching)。

其主要思想是首先获取结构所有可能损伤情况下的响应变化特征向量,然后将实际测得的响应变化特征向量依次与它们进行比较,与测量值最匹配的哪个损伤模式被认为是结构实际的损伤。

这种方法要求事先列举结构可能发生的损伤基准模型,因此在实际工程应用中难以实现。

1.2指纹识别方法（即损伤指标方法）
1.2.1基于固有频率变化的损伤识别方法
固有频率是模态参数中较容易获得的一个参数，结构发生损伤时，刚度和阻尼发生变化，尽而其固有频率发生改变。

因此通过固有频率的变化可以判断结构是否存在损伤，当结构早期损伤量很小时，固有频率的变化主要表现在高阶频率上，而高阶频率的变化很难获得，因此这种方法对结构早期的小损伤不敏感。

1.2.2 基于振型变化的损伤识别方
振型的变化相比于频率变化来说对损伤更为敏感，该方法常用的损伤识别有模态保证准则(modal assurance crite—rion，MAC)和坐标模态保证准则(coordinate modalassurance criterion，COMAC)、位移模态、曲率模态、应变模态等．振型(尤其是高阶振型)对局部损伤比较敏感，但却难以精确测量，从而使得MAC 和COMAC的识别误差较大．曲率模态方法的识别率优于其他几种方法，但求解曲率模态需要很高的测量精度，同时需要非常密集的测点，以便使用中心差分法求取曲率模态，否则将增大曲率
模态振型的误差．
1.2.3 基于刚度变化的损伤识别方法
结构发生较大的损伤时，其刚度矩阵比质量矩阵要发生显著的变化，因此很多学者利用此特征进行研究，但是这种方法对微小损伤的结构无法识别。

1.2.4 基于柔度变化的损伤识别方法
结构发生损伤，其柔度会增加，因此，可用结构柔度矩阵的变化作为损伤检测的依据。

主要包括柔度差法和柔度曲率法．在相同的试验模态参数条件下，基于柔度变化的损伤识别方法比刚度变化的方法对损伤更为敏感，并且柔度矩阵中高阶模态参数的影响可以忽略，只需一些低阶模态就可得到较为准确的柔度矩阵．但是通过柔度矩阵的变化也只能确定结构损伤的大致位置，不能得到损伤的准确位置及损伤程度．有的学者考虑采用柔度法与模糊算法或神经网络算法相结合，取得了较好的结果．
1.2.5 基于振型曲率变化的损伤识别方法。

对于梁板式结构，主要是承担横向外力和由外力引起的弯矩，结构在弯矩作用下的曲率会由于结构损伤发生改变，因此，曲率的改变可作为损伤检测的信息。

Pandey等首先提出用损伤前后振型曲率变化的绝对值来判断损伤位置，即曲率变化最大处为损伤位置。

同时，振型曲率变化大小还和损伤程度有关，损伤越大，曲率变化越大，由此可鉴别损伤程度。

Ratcliffe研究了结构在小损伤情况下直接利用振型曲率难以判别结构损伤的情况，提出对判
别点相邻点的振型二阶差分值进行三次多项式差值，然后计算判别点处差值函数和二阶差分的差，该值能够较好地反映梁结构的损伤大致位置。

1.2.6 基于残余力向量的损伤识别检测方法。

残余力向量中非0元素的位置反映了与该位置相连的单元可能发生了损伤。

利用残余力进行损伤定位的好处是只需要知道结构完好状态下的刚度矩阵、质量矩阵和发生损伤后结构的模态参数，而不需要知道损伤后结构刚度矩阵和质量自己的变化。

实际工程中，由于测量误差的影响和结构质量、刚度分布不均匀，利用残余力法可能会引起损伤定位误差。

为此，Zimmerman和Kaouk
提出利用矩阵行向量与振型向量的夹角是否为90 。

周先雁等运
用残余力法对钢筋混凝土试验钢架模型的损伤进行了准确定位。

Kosmatka和Ricles对空间桁架的试验研究表明，利用残余力法能够预测各种损伤工况下结构质量和刚度的变化置。

Rao等利用残余力向量构造目标函数，然后运用遗传算法进行损伤识别，并将该方法运用于平面桁架、悬臂梁和门式框架等不同的结构形式，取得了很好的效果。

1.2.7基于单元模态应变能变化率的损伤识别方法。

Shi等提出了单元模态应变能的概念，导出损伤单元前后的模
态应变能变化率很大，与损伤单元相邻单元的模态应变能变化率较小，而远离损伤单元的模态应变能变化率很小的结论，因此，可将损伤前后单元模态应变能的变化率作为损伤定位的指标，并
成功地运用上述结论分别对一平面桁架和框架结构的损伤进
行了数值分析和试验研究。

单元模态应变能法已成功地应用于桥、板和悬臂结构的损伤检测中。

1.2.8 基于传递函数(频响函数)变化的损伤识别方法。

由于损伤引起的传递函数的变化是由损伤的类型和位置唯一
确定，Maia等提出频晌函数曲率法，发现该方法可以在梁损伤识别中达到弹性模量至少降低25％的损伤量，同时还考虑了5％噪声的影响，但是无法精确定位损伤位置。

Mark J等提出了另一种传递函数识别损伤方法，即传动函数法，发现该方法不需要任何数学模型或先验知识，能有效地识别结构早期损伤。

但是测量点的数量和位置对损伤识别精度影响较大。

1、3模型修正法
模型修正法(Model updating),作为结构动力学问题的反问题,是通过不断修正基准模型中单元刚度等模型参数,使有限元模型
分析结果和试验结果(如结构固有频率、模态、响应等)之间偏差最小[30],从而得到有限元模型中的局部单元刚度变化规律,进而
指示结构的损伤位置与程度,因此,基于模型修正的损伤识别重点
主要落在了结构有限元模型修正上。

模型修正技术采用不同的分类标准,可以得到不同的分类：直接法、灵敏度方法、神经网络方法、智能优化算法。

2、目前，结构损伤识别的方法有局部和全局方法，它们个有何特点？
答：（一）局部方法
1.基于改进PSO算法的结构损伤识别方法
根据“结构损伤发生在局部”这一信息特征,在粒子群算法中引入零变异率系数,提出一种改进的粒子群结构损伤识别方法.
两层刚架单损伤数值仿真研究结果表明:与普通粒子群算法相比,所提出的方法具有收敛速度快、识别结果准确、抗噪能力较强及受种群数影响小的特点,这些优点对于将PSO应用于复杂结构的损伤诊断有着重要意义。

2.基于多模态参数结构损伤识别方法
需要测取的模态阶数较少，易于在实际工程中采用的方法。

3.基于加速度频响函数的结构损伤识别方法
由于测量噪声、模型误差、环境条件的不确定性、测量数据的不完整、识别方法的不完善和局部损伤的不敏感性等问题而难以得到广泛的实际应用。

4．基于小波神经网络方法的结构损伤识别方法
能够敏感地检测出结构局部小损伤的位置。

（二）全局方法
1．基于振动的结构损伤识别方法
具有整体监测与识别的能力，并可借助有限元分析模型进行损伤识别。

2．基于小波分析的结构损伤识别方法
从损伤识别的结果来看，对损伤率在7.5%以上的情况，损伤识别精度较高;对于损伤确认和损伤定位，识别精度较高;而对
于损伤程度识别略有偏差。

3．基于动力分析的结构损伤识别方法
具备反映结构整体性质的特点，而且测试简便准确、应用方便。

3、结构动力学方法识别损伤主要有哪几类，其特点如何？
答:基于结构动力学识别损伤的方法主要有:
1)无模型识别法:用于损伤识别的特征量与结构模型无关,直接由振
动响应的时程和相应的谱分析得到,多用于机械领域。

2)基于模型的无反演损伤指标定位方法：直接由实验模态分析得到
的模态参数及其组合形成一个损伤识别指标，由损伤前后指标的变化来判断损伤的发生、损伤的位置及相对成都。

但是大多数损伤定位指标只能对损伤的存在进行验证，对损伤可能出现的位置进行排序，而不能判定损伤程度。

判定损伤程度需要合适的损伤指示阈值。

3)基于模型的反演损伤识别方法：根据给定的结构测试数据和采用
的计算模型，识别出结构的物理参数K、M的参数向量或其改变量，由损伤前后参数向量的改变来确定损伤的部位及程度，这是典型的振动反问题，模型修正或系统识别、状态估计方法在此得到广泛应用。

4、结构损伤识别的智能方法主要有哪些？其主要内容是什么？
答：结构损伤是别的只能方法主要有：
1）基于小波变换的结构模态参数识别方法：从测试所得的数据中，确定振动系统的模态参数，包括固有频率、模态阻尼比等。

小
波变换是一种时频域的信号分析方法，利用一个可以伸缩和平
移的可变视窗聚焦到信号的任意细节下进行时-频域处理，即可
以看到信号的全貌，又可以分析信号细节，并且可以保留信号
的瞬时特性。

2）基于数字摄影测量技术和图像处理技术的结构动态位移监测方法：根据理想光学系统成像原理，结合现有的摄像机标定基本
原理和方法，考虑轴对称和非轴对称畸变，在曲面拟合中采用
三次多项式，求解简单且精度高。

确定物空间和像素坐标的对
应关系，通过测量目标的像素为宜，利用对应关系得出实际目
标物体在物空间的实际位移量。

从而得到结构的变形量，进行
损伤判断。

3）基于动力特性的结构损伤识别方法：结构的模态参数(频率、振型、振型阻尼等)是结构物理特性(质量、刚度、阻尼等)的函数，
因此结构物理特性的变化将会导致结构模态参数相应的发生改
变。

通过建立结构动力特性变化与结构损伤之间的映射关系，
即可以利用结构振动测试信息进行结构的损伤识别。

4）基于波传播理论和压电阻抗技术的土木工程结构损伤识别方法：结合波传播的基本原理和材料在压力作用下的电阻变化的对应
关系，得到结构的变形量和构造变化，利用材料前后波传播的
频谱变化，发现损伤和定位损伤位置。

5、试述结构损伤识别的新方法。

答：为了识别较小的损伤，需要利用先进的信号处理方法，提取对损
伤更加敏感而对噪声不敏感的特征参量。

比如，采用盲信号分离技术、分数傅里叶变换或分形技术等。

目前许多进入使用中晚期和新建的重大工程结构中已经安装了实时健康监测系统，根据待检测结构的特点和检测目标，选择几种有效的、可实施的损伤识别方法，建立能将各种方法的损伤识别结果融合起来的损伤识别模块并集成到健康监测系统中是使结构损伤识别方法在实际工
程中发挥作用的重要途径。

这样可以集各种方法的优点于一身，得出更加可靠的损伤识别结果。

比如，发展融合结构局部响应和结构整体响应的损伤识别算法；或将基于模态域数据的方法和基于小波分析的方法相结合，先由基于模态域数据的方法将损伤定位到一个范围内，再由基于空间域响应奇异性检测的方法将损伤定位到更具体的部位等。

上面回顾的方法中，都假设振动的幅值很小，结构处于线性范围内，并且损伤也是线性建模；而实际结构本身通常是非线性的，比如土壤和混凝土材料都是非线性的，而且有研究表明：土壤的刚度是激励频率的函数，另外，大多数损伤都是非线性的，比如循环荷载作用下，疲劳裂纹的张开和闭合就是一种非线性行为，因此非线性结构的损伤识别问题的研究是为将结构损伤识别方法应用于实际工程中而努力的方向。

因为数值仿真分析中模拟的情况越接近于实际工程结构的本质状态，提出的方法实用的可能性越大。

基于模态域数据的方法对小损伤不敏感，而基于时间域数据
的方法非常容易受外荷载的影响，因此基于小波分析的损伤识别方法越来越受到重视，具有很好的研究和应用前景。

然而，小波分析方法的潜力还远没有得到充分挖掘。

目前虽然已经发展了一套基于傅里叶分析的损伤识别方法体系，作为与傅立叶分析平行、但功能更强大的小波分析方法，基于小波分析的损伤识别方法体系还远没有建立，在这方面还有很多工作要做。

参考文献：
[1]于哲峰. 随机激励下结构损伤检测方法研究[D]. 西北工业大学, 2005.
[2]杨海峰. 基于加速度频响函数的结构损伤检测方法研究[D]. 西北工业大学, 2007.
[3]苏扩军, 易登军, 邓华锋. 结构损伤识别的模态应变能方法探讨[J]. 三峡大学学报:自然科学版, 2005,
27(3):220-223.
[4]杨璐. 基于多模态参数结构损伤识别方法研究[D]. 沈阳工业大学, 2003.
[5]陈震, 朱军华, 余岭. 一种基于改进PSO算法的结构损伤识别方法[J]. 振动与冲击, 2012,
31(5):17-20.
[6]马双超, 臧朝平. 基于结构动力学特性的损伤识别方法[J]. 航空科学技术, 2015(6):56-61.
[7]杨坤. 基于EMD结构损伤识别方法研究[D]. 长安大学, 2008
[8]张力,张瑜.基于模糊理论的结构损伤模式识别[J].西安工业大学学报,2009,29(2): 177-183
[9]李书明，何亮，程关兵．基于振动分析的结构损伤检测方法研究[J]．中国民航学院学报，2006，24(5)：
26-29．
[10]Li Shuming，He Liang，Cheng Guanbing．Research onmethods of vibration—based structure damage
detection[J]_Journal of Civil Aviation University of China，2006，24(5)：26—29．(in Chinese)。