基于振型变化的损伤识别法
【CN109828033A】基于振动响应相似度分析的损伤识别方法和系统【专利】
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CN 109828033 A
说 明 书
1/6 页基于振ຫໍສະໝຸດ 响应相似度分析的损伤识别方法和系统
技术领域 [0001] 本发明涉及测试测量技术领域，具体地，涉及基于振动响应相似度分析的损伤 识 别方法和系统。
背景技术 [0002] 损伤识别技术被广泛应用在土木工程、航空、航天领域，特别是桥梁结构、飞 机机 身、卫星主承力结构等。所涉及的结构形式复杂，有杆、梁、板、壳或其组合 形式；涉及的材 料多样化，有金属、非金属、复合材料，特别是复合材料因其优异 的性能被大量应用在航空 航天器上。而复合材料的损伤机理更加复杂，可能由于工 艺、疲劳等产生脱层、脱粘、纤维 断裂等损伤。因此损伤识别技术的研究意义很大。 [0003] 损伤识别主要包含4个层次的内容：1)检测——识别到结构中的损伤是否发 生； 2)定位——识别结构的损伤位置；3)评估——识别结构的损伤程度；4)预 测——对结构是 否能继续服役的预测。但到目前为止，仅损伤检测与定位技术较为 成熟，对损伤评估和结 构寿命预测还有待进一步研究。 [0004] 国内外学者提出了许多方法，包括静力识别法、动力指纹法、模型修正法、动 静结 合等，但现有方法仍存在诸多不足，如现有的损伤识别技术适用性差，大多仅 适用形式简 单的简单，如梁、板；仅适用于单一材料如金属，对复合材料损伤则无 法识别。
权利要求书2页 说明书6页 附图4页
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权 利 要 求 书
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1 .一种基于振动响应相似度分析的损伤识别方法，其特征在于，包括： 数据获取步骤：通过测试分别获得结构损伤前、后的振动响应时域数据，并通过拉式变 换得到其频率响应数据； 全频段 相似 度分析步骤 ：根 据 损伤前 、后结 构的 频率响 应数 据 ，进行 全频段 相似 度分 析 ，得到结构上所有部位的 全频段 相似度和对应的阈值 ，全频段 相似度小于自 身阈值则为 响应异常，对应结构的响应异常部位； 分频段 相似度分析步骤 ：对响应异常部位的 频率响应数 据进行分频段 相似度分析 ，得 到分频段相似度和对应的阈值，分频段相似度小于自身阈值的频段为响应异常频段； 评估步骤：结合响应异常部位和异常频段评估结构损伤程度。 2 .根据权利要求1所述的基于振动响应相似度分析的损伤识别方法，其特征在于，获取 结构损伤前、后的 振动响应时域数据时 ，测点的数目 和位置能代表结构的空间几何形状特 征，至少能表征出结构前3阶模态振型。 3 .根据权利要求1所述的基于振动响应相似度分析的损伤识别方法，其特征在于，所述 数据获取步骤中 ，通过测试分别获得结构损伤前、后的 振动响应时域数据时的 两次 测试条 件相同。 4 .根据权利要求1所述的基于振动响应相似度分析的损伤识别方法，其特征在于，所述 数据获取步骤中，结构损伤前、后的振动响应时域数据的采样频率满足采样定理。 5 .根据权利要求1所述的基于振动响应相似度分析的损伤识别方法，其特征在于，所述 全频段 相似度分析步骤中 ，阈值的 计算是在对结构的 损伤评估基础上 ，基于选定的 相似度 方法进行导出或约定，依据如下公式：
基于振动特性的损伤识别方法的研究进展_刘济科
基于振动特性的损伤识别方法的研究进展刘济科,汤 凯(中山大学应用力学与工程系,广东广州510275)摘 要:对基于振动特性的损伤识别方法做了比较详细的综述。
介绍了基于振动特性的损伤识别技术的基本问题及其在土木工程中应用的历史发展与现状,并对有关方法进行了总结和评述。
最后指出了基于振动特性的损伤识别方法还需要进一步解决的问题。
关键词:振动特性,损伤识别,工程结构中图分类号:TU317;O32 文献标识码:A 文章编号:0529-6579(2004)06-0057-05 目前,损伤识别技术已经发展并具有了坚实的物理和数学理论基础,是一门快速发展并具有广阔前景的研究领域。
基于振动特性的系统损伤识别方法是目前国内外研究的热点和难题。
这是一种全局方法,需要测得系统的模态参数(如固有频率,模态振型和模态阻尼),其基本思想是模态参数是系统物理特性(如刚度,质量和阻尼)的函数,因而物理特性的改变与系统动力响应的改变间是相关联的,可以利用这种关联来识别损伤。
这种方法和传统的无损检测技术相比特别适用于大型复杂结构,已被广泛运用于航空、航天、精密机械以及石油平台、大型桥梁、超高层建筑、大跨度网架等大型土木工程结构中。
本文拟对国内外基于振动特性的土木结构损伤识别的最新研究进展进行评述,指出了该研究领域中有待解决的一些问题。
1 振动特性的系统损伤识别 系统的特性可以用模态参数和物理参数(主要是刚度和质量参数)进行描述。
物理参数是系统特性的直观表述,可以直接用于评价系统的特性。
模态参数也是系统的一个非常重要的特性,反映结构的质量和刚度分布状态,如果结构模态参数发生变化,也能间接反映结构的物理特性的变化。
损伤识别作为结构振动反问题,在识别过程中,先识别振动模态参数,再由模态参数识别系统物理参数,最后选用合理的损伤识别方法比较损伤前后系统的特性可以定性和定量地估计系统的损伤。
因此,损伤识别按照过程可分为以下3个基本问题:①模态参数识别,谭冬梅[1]对模态的参数识别做了较完整的综述;②系统动力模型修正,顾松年[2]对模型修正方法做了很好的综述;③损伤识别,选用恰当方法进行损伤识别的。
基于振动的结构损伤识别研究综述
基于振动的结构损伤识别研究综述摘要：结构损伤识别方法是桥梁结构的健康监测系统的重要组成部分，基于振动测试的结构损伤识别方法是目前国内外研究的热点。
针对目前结构损伤识别方法研究的现状,在现有结构损伤识别方法的基础上,本文介绍了基于振动的结构损伤识别方法，其中包括基于固有频率的结构损伤识别方法、基于模态振型的结构损伤识别方法等，最后对目前的结构损伤识别中存在的一些问题及努力的方向进行了阐述。
关键词：桥梁；结构损伤识别；健康监测0 引言损伤检测技术最先应用于机械、航空、航天工业上,随着振动理论、计算机技术、现代测试与信号处理技术的飞速发展,结构损伤识别的应用领域也在不断拓宽,并以其经济有效、可以反映结构整体性能、能够探测结构隐蔽部位缺陷的优点在土木工程结构等领域得到广泛应用。
近二三十年来,基于振动测试的损伤检测方法,在土木工程领域应用得越来越广泛。
目前,常用的结构损伤识别方法大致可以分为以下几类基于固有频率的结构损伤识别方法、基于振型的结构损伤识别方法、基于位移和应变类参数的结构损伤识别方法、基于刚度阵和柔度阵的结构损伤识别方法、基于模型修正的结构损伤识别方法等。
1基于振动的结构损伤识别方法1.1 基于固有频率的结构损伤识别方法损伤使结构的刚度减小,导致频率的降低,这一现象直接推动了与频率相关的敏感参数在结构健康监测和损伤识别中的应用。
基于结构振动模态试验的检测方法,是把模态参数的改变视为结构损伤发生变化的标志,通过对结构模态参数的跟踪、测量和分析,来判断结构的损伤程度和损伤部位。
在所测量的结构模态参数中,主要包括两大类：1）位移模态参数,如固有模态频率、阻尼、模态振型等2）应变参数,如应变模态、应变能等,在实际检测应用中,位移振型可确定损伤位置,但其识别误差在左右,而且受测量点数的限制,无法获得较为精确的振型通过对混凝土损伤的初步研究表明,应变类参数比位移类参数具有更高的敏感度,但并非完美无缺。
在实际检测中,受到应变片布置、应变片测量系统的相对误差较大等因素限制。
基于曲率模态振型进行梁式桥损伤识别研究_陈淮
V ol 121 N o 110公 路 交 通 科 技JOURNA L OF HIG HW AY AND TRANSPORT ATI ON RESE ARCH AND DE VE LOP ME NT2004年10月文章编号:1002Ο0268(2004)10Ο0055Ο03收稿日期:2003Ο08Ο07基金项目:郑州大学和河南省自然科学基金资助项目(0411052900)作者简介:陈淮(1962-),男,河南淮阳人,博士,教授,主要从事桥梁结构分析工作1(chenh @zzu 1edu 1cn )基于曲率模态振型进行梁式桥损伤识别研究陈 淮,禹丹江(郑州大学土木工程学院,河南 郑州 450002)摘要:以刚架桥为具体研究对象,根据曲率模态振型,对刚架桥的损伤识别进行数值仿真研究。
利用刚架桥损伤前后的曲率模态振型变化对刚架桥的损伤进行定位识别,探讨曲率模态振型用于刚架桥在不同损伤情况,以及不同损伤程度下的损伤识别诊断能力。
数值仿真结果表明,曲率模态振型是梁式桥结构损伤识别的敏感标示量,可以对刚架桥的损伤进行识别。
关键词:刚架桥;损伤;识别;曲率模态振型中图分类号:O34615 文献标识码:AStudy on the Damage Detection in the Beam Bridge Using Change sin Curvature Mode ShapeCHEN Huai ,YU Dan Οjiang(School of Civil Engineering ,Zhengzhou University ,Henan Zhengzhou 450002,China )Abstract :Based on the curvature m ode ,this paper deals with the damage detection of a rein forced concrete rigid frame bridge in the numerical simulation 1The changes in curvature m ode shape between the intact and damaged rigid frame bridge are used to locate bridge damage 1The location ability of the curvature m ode to various damage conditions and the in fluence of different damage degree are dis 2cussed 1Numerical simulation results indicate that the curvature m ode is a sensitive index to damage detection of the beam bridge 1The cur 2vature m ode can be used to locate the damage of rigid frame bridges 1K ey words :Rigid frame bridge ;Damage ;Detection ;Curvature m ode1 原理桥梁建成通车以后,随着桥梁服役时间的推移,由于种种因素会使桥梁发生结构性缺陷,桥梁的老化、劣化现象明显。
损伤识别
桥梁结构损伤识别研究综述摘要：首先阐述了桥梁结构损伤识别在桥梁结构中的重要性，介绍了国内外桥梁结构损伤识别研究现状，在此基础上，又介绍了用于桥梁结构的各种损伤识别方法和存在的问题，最后提出了桥梁结构损伤识别的发展方向。
关键词：损伤识别，桥梁结构，神经网络，曲率模态引言桥梁结构在长期使用过程中会发生各种损伤，导致桥梁结构的承载能力的降低，甚至会导致桥梁的倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。
为了保证桥梁的安全性，需要及时的发现桥梁结构存在的损伤情况。
目前，桥梁结构损伤识别已经成为国内外研究的热点。
1 国内外桥梁结构损伤识别研究现状损伤识别最早用在航天及机械领域并得到了广泛的研究，在健康监测引起普遍关注的同时被应用在桥梁领域。
鉴于桥梁所处环境的复杂性及结构特性的随机性，桥梁的损伤识别目前还没有一个统一的标准或准则参考，实际的应用也较少，但还是取得了一些成就。
自70年代以来，随着振动测试和分析技术的发展，国际上广泛开展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤识别和监测的研究。
近年来，国外学者在利用振动模态分析理论进行结构损伤识别方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的识别方法。
早期，主要是以Vandiver和Begg[9]等的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测桥梁结构的损伤。
Spyrakos[5]进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试了模型梁在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态特性有确定的相关性，但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。
Aktan等则从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度作为损伤指针的可靠性。
除了这些较为零星的工作以外，美国通过I-40桥梁项目和Alamosa峡谷项目，对桥粱健康诊断中的结构损伤识别方法进行了系统的研究，试验结果表明振型关于结构损伤识别伤较为敏感。
Stubbs等[8]也对I-40桥进行了损伤识别的研究，利用振型曲率计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥梁的损伤。
结构损伤识别方法研究进展
结构损伤识别方法研究进展作者：王燕锋公晋芳来源：《商情》2009年第31期结构损伤识别是健康监测系统核心技术之一。
本文对目前该技术的研究现状及进展进行了回顾与总结。
重点阐述了基于振动的结构损伤识别方法和智能损伤识别方法,对无模型损伤识别的频域法、时域法和小波分析法等也作了一定程度的介绍。
分析了各种方法的优点和不足之处,同时指出了结构损伤识别技术的发展方向和需要解决的问题。
【关键词】结构健康监测损伤识别振动特性模型修正一、基于振动的结构损伤识别方法结构损伤识别技术可分为静态识别方法和基于振动的整体识别方法。
静态识别方法是通过静态测量数据对结构损伤进行识别,而基于振动的识别方法则是运用结构的振动特性对损伤进行识别。
静态识别方法识别结果较为可靠和稳定,但试验时间长、现场工作量大,无法做到实时监控;此外当受损结构在特定荷载作用下变形几乎未受影响时,很难获得理想的识别结果。
而基于振动的结构损伤识别方法应用的条件限制少,效率高,但结构响应信号易受噪声的影响,准确性有待于提高。
结构的损伤识别可分为四个水平:(l)判断结构是否损伤。
(2)确定结构的损伤位置。
(3)定量结构损伤的程度。
(4)预测结构的剩余寿命。
1.基于损伤指标直接比较的损伤识别方法结构损伤引起结构动力特性变化,只要能找到某些反映结构动力特性变化的量,即损伤指标,直接对比其在损伤前后的变化情况即可达到识别损伤的目的。
目前,已经提出了频率、振型、曲率模态、应变模态、模态应变能等各种损伤指标。
最常用的指标是结构的频率。
频率属于系统全局量,局部损伤也可以反映到频率的改变上,但是使用频率作为损伤指标也有其局限性。
第一,结构不同部位的损伤可能造成相近的频率变化,使其不能反映空间结构变化信息。
第二,结构频率的变化对于结构损伤,尤其是早期的低水平损伤很不敏感。
相对频率而言,模态振型的变化对损伤较为敏感,早期的大多数方法是基于直接比较模态振型。
相对于位移模态,应变模态对结构损伤较为敏感。
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。
基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法共3篇
基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法共3篇基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法1基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法随着工业技术的发展和应用的不断扩展，结构损伤识别问题日益受到重视。
结构损伤的产生会导致结构的降质、弱化或失效等严重后果，因此，结构的损伤识别与预测对于工程安全性具有重要意义。
近年来，基于振动信息的结构损伤识别方法逐渐成为研究和应用的热点。
本文将介绍几种新的基于振动信息的结构损伤识别方法。
1. 基于小波包分解的结构损伤识别方法小波包分解是一种常用的信号分析方法，可以将信号分解为不同频率的子信号，进而得到结构的动态响应信息。
该方法适用于实时损伤监测，可以发现较小的损伤，但也容易受到噪声的干扰。
因此，需要进行预处理和滤波来削弱噪声的影响。
2. 基于模态超短时傅里叶变换的结构损伤识别方法模态超短时傅里叶变换是一种新颖的信号分析方法，可以在频域和时域对信号进行分析。
该方法可以提取不同频率的动态响应信息，并利用滤波器组将这些信息分组。
然后，通过计算每个组的拓扑距离矩阵，可以得到结构的损伤信息。
该方法适用于高噪声环境下，可以提高识别准确度。
3. 基于多阶段深度学习的结构损伤识别方法多阶段深度学习是一种深度学习技术，可以在不同的阶段对信号进行处理，并在每个阶段提取更高级别的特征。
该方法可以对结构损伤进行准确识别，并用于结构的预测和监测。
该方法需要大量的数据进行训练，但可以提高预测和识别的准确度。
综上所述，基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法各有优劣。
选择最合适的方法需要考虑结构类型、预测精度和数据获取难度等因素。
未来，需要进一步研究和发展基于振动信息的结构损伤识别技术，以更好地应对实际问题基于振动信息的结构损伤识别技术是现代结构监测领域的一个重要研究方向。
本文介绍了几种新的识别方法，包括小波变换、模态超短时傅里叶变换和多阶段深度学习等。
这些方法各有优缺点，需要选择最适合的方法来解决实际问题。
基于振动的土木工程结构损伤诊断识别方法研究
基于振动的土木工程结构损伤诊断识别方法研究对土木项目的施工结构实际具备的安全性能进行检测以及评判，对国内建筑行业的安全以及道路施工安全而言，发挥着十分重要的作用。
下文就以振动类型的土木项目的施工结构为依据，对于其出现的损伤情况展开分析以及研究工作。
标签：振动；土木工程；结构损伤；诊断识别方法；研究对于振动类型的土木项目的施工结构出现的损伤问题进行诊断以及检测工作，属于现在对项目结构自身安全问题进行评断的一个重要的方法。
一个项目自身的安全性能有无达标，和社会具备的稳定性、公民的幸福存在紧密的联系，因此，大力关注土木项目这一结构自身存在的损伤问题，并对其开展检测工作就十分重要。
一、简单论述频繁使用的诊断和识别方式对于振动类型的土木项目的施工结构出现的损伤问题进行诊断以及检测时，频繁使用的方式有方式五种，分别为：第一种是使用模型进行修正与使用指标进行识别诊断的方式，这一方式主要是经过对某一个处于动态的数据模型进行建立，将之前处于静态的模型获得的数据进行转变，以此为前提条件，得到震动响应的具体数据；第二种是使用神经网络进行诊断的方式，这是一类全新的、使用到对土木项目的施工结构出现的损伤问题进行诊断以及检测工作内的模型，在对获得的数据实施分析以及传递操作期间，全部是将神经元当作基本单元。
因此，在此模型内，对数据实施保存以及分析的工作十分的快速高效。
第三种是使用动力参数进行诊断的方式，这一参数是通过与静态参数进行对比得出的。
现在，人们使用的动力参数包括了：振型、模态柔度矩阵、模态曲率、能量输送比（ETR）、频率、功率谱、频响函数、模态保障原则（MAC，COMAC）、传递函数、应变模态等等。
第四种是使用小波进行分析以及检测的方式，这一方式是最近这几年数学理论内，为了实现分析技术的调和开展研究工作获得的最新成果，这一个处理方式的问世，能够正确的对土木项目的施工结构出现的反振动问题进行处理。
导致之前的项目在具体开展分析工作期间，使用过程中存在制约的动态参数分析方式获得了延伸。
基于振动模态改变的钢结构损伤识别方法综述
基于振动模态改变的钢结构损伤识别方法综述钢结构是现代建筑中常用的一种结构形式，其具有高强度、刚度和稳定性等优点，但在长期使用过程中，由于各种因素的影响，如自然灾害、疲劳、腐蚀等，钢结构可能会出现损伤，严重影响其安全性能。
因此，钢结构损伤识别方法的研究具有重要意义。
振动模态是一种常用的钢结构损伤识别方法，其基本原理是通过对钢结构进行振动测试，分析其振动模态的变化，来判断是否存在损伤。
本文将综述基于振动模态改变的钢结构损伤识别方法。
一、基于振动模态的钢结构损伤识别方法1. 模态参数法模态参数法是一种基于振动模态的损伤识别方法，其基本思想是通过对钢结构进行振动测试，提取其振动模态参数，如固有频率、阻尼比、模态形态等，来判断是否存在损伤。
当钢结构发生损伤时，其振动模态参数会发生变化，通过对比不同状态下的模态参数，可以判断是否存在损伤。
2. 模态曲率法模态曲率法是一种基于振动模态的损伤识别方法，其基本思想是通过对钢结构进行振动测试，提取其振动模态曲率，来判断是否存在损伤。
当钢结构发生损伤时，其振动模态曲率会发生变化，通过对比不同状态下的模态曲率，可以判断是否存在损伤。
3. 模态能量法模态能量法是一种基于振动模态的损伤识别方法，其基本思想是通过对钢结构进行振动测试，提取其振动模态能量，来判断是否存在损伤。
当钢结构发生损伤时，其振动模态能量会发生变化，通过对比不同状态下的模态能量，可以判断是否存在损伤。
二、基于机器学习的钢结构损伤识别方法除了基于振动模态的方法外，还有一些基于机器学习的钢结构损伤识别方法，其基本思想是通过对钢结构进行振动测试，提取其振动特征，如频谱、时域、小波等，然后利用机器学习算法进行分类和识别。
1. 支持向量机法支持向量机法是一种常用的机器学习算法，其基本思想是通过构建一个高维空间，将不同状态下的振动特征映射到该空间中，然后利用支持向量机分类器进行分类和识别。
2. 神经网络法神经网络法是一种基于人工神经网络的机器学习算法，其基本思想是通过对钢结构进行振动测试，提取其振动特征，然后利用神经网络进行分类和识别。
基于振动分析的桥梁结构损伤识别技术
基于振动分析的桥梁结构损伤识别技术桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其结构的安全性和可靠性至关重要。
随着时间的推移、交通流量的增加以及环境因素的影响，桥梁结构可能会出现各种损伤，如裂缝、腐蚀、疲劳等。
这些损伤如果不能及时被发现和修复，可能会导致桥梁结构的性能下降，甚至引发严重的安全事故。
因此，如何有效地识别桥梁结构的损伤，成为了桥梁工程领域的一个重要研究课题。
振动分析作为一种无损检测技术，在桥梁结构损伤识别中得到了广泛的应用。
振动分析的基本原理是基于结构的动力特性，如固有频率、振型和阻尼比等，与结构的物理参数（如质量、刚度和阻尼）之间的关系。
当桥梁结构发生损伤时，其物理参数会发生变化，从而导致结构的动力特性也发生改变。
通过测量和分析桥梁结构在振动激励下的响应，可以获取其动力特性，并与未损伤时的基准数据进行对比，从而判断结构是否存在损伤以及损伤的位置和程度。
在基于振动分析的桥梁结构损伤识别中，常用的振动激励方式包括自然激励（如风、交通荷载等）和人工激励（如锤击、激振器等）。
自然激励通常是免费的，但激励信号的随机性较大，不利于数据分析。
人工激励可以提供更可控和更具重复性的激励信号，但需要专门的设备和操作，成本较高。
测量桥梁结构振动响应的传感器主要有加速度传感器、位移传感器和速度传感器等。
加速度传感器由于其测量精度高、响应速度快等优点，在桥梁结构振动测量中应用最为广泛。
传感器的布置方案对于获取准确和全面的振动响应数据至关重要。
一般来说，传感器应布置在结构的关键部位，如跨中、支座处、节点等，以捕捉结构的主要振动模态。
在获取了桥梁结构的振动响应数据后，需要对数据进行预处理和分析。
预处理包括去除噪声、滤波、积分和微分等操作，以提高数据的质量和可用性。
数据分析的方法主要有频域分析和时域分析两种。
频域分析通过对振动响应数据进行傅里叶变换，得到结构的频谱特性，从而识别结构的固有频率和振型。
时域分析则直接对振动响应的时间历程进行分析，如通过时域信号的特征提取、系统识别等方法来判断结构的损伤。
基于振动模态的空间桁架结构损伤识别
218城市建筑Urbanism and Architecture / 2023.22施中被广泛使用。
由于环境腐蚀、材料疲劳和冰雪等灾害荷载的不利影响，结构中必然出现锈蚀、老化、裂缝或节点松动等各类损伤工况。
对结构中的这些损伤状况必须及时检测，确定存在损伤的部位，以及损伤的严重程度，并据此采取相应的维修加固措施，才能避免发生严重的工程事故。
因此，结构损伤识别是土木工程领域近年来的一个研究热点[1]。
由于结构的振动响应是结构物理参数的函数，因此结构损伤将导致结构振动响应数据的改变，根据振动响应的变化便可以反过来识别出结构的损伤状况，这就是损伤识别的基本原理。
Beranl [2]首次提出采用损伤定位向量（damage locating vector, DLV）方法判断结构中发生损伤的位置，其基本思想是，对损伤前后的柔度差矩阵进行奇异值分解，然后将对应零奇异值的右奇异向量作为静力荷载施加于未损伤结构上，此时那些内力为零的单元即为可能的损伤位置。
王秋萍等[3]开展了钢框架结构振动试验，验证了DLV 方法的可行性。
逯静洲等[4]将DLV 方法用于环境激励下弹性薄板结构的损伤识别中。
伍晓顺等 [5]以DLV 方法为基础，发展了一种虚拟应变能方法，用于网架结构的损伤定位。
然而，DLV 方法仍然存在下列问题有待解决：①实践中只能测量结构振动的少数低阶模态，当只采用这些低阶振动模态进行计算时，由于模态截断的影响将导致DLV 方法计算所得的损伤位置处的内力并不为零，故实践中只能依据相对较小的内力值来判断发生损伤的单元，但这样的操作很容易出现误判；②DLV 方法主要完成判断损伤位置的任务，并不能直接用于求解损伤的严重程度。
鉴于此，本文提出了一种三阶段的损伤识别方法，并将其应用于空间桁架结构。
主要操作步骤为：第一阶段，通过动力测试获得柔度差矩阵，根据柔度差矩阵的非零奇异值的数目来判定结构中存在损伤的杆件数目；第二阶段，应用DLV 方法来判定结构中存在损伤的杆件位置；第三阶段，应用频率灵敏度方法来求解损伤程度。
基于三向振型变化率的空间刚架结构损伤识别
振型变化率
如 果设 第 ｉ 阶模 态 振 型 为 ， 表示 结 构有
位更 明显 的变 化 ， 因此 ，用 模 态 振 型 构 造 损 伤 标 损 伤情 况 ，结 构 的 损 伤 造 成 了结 构 损 伤 局 部 刚度 的下 降 和模 态 振 型在 局 部 区域 的变 化 ， 当某 单 元 示 量可 以反 映 出损 伤 位 置 。虽 然 振 型参 数 敏感 程 度不 高 ，但 与 测 量 应 变 模 态 参 数 Ｊ 、应 变 能 参 发生 损伤 后 ，将 引 起 振 型 的改 变 ，尤 其 在 损 伤 位 数ｌ 相 比，测量工作 量小 ，仪器水 平要求低 ；与 置 比较 明显 。可 以定 义第 阶振 型差 △ 为 ５ 曲率模 态 相 比 ，后 期 处 理 数 据 简 单 ，大 大 缩 短 工
ｋ／ ｇｍ 。通 过定 义构 件截 面形 式 直 接 创建 梁 单 元 的 （ｌ ４ ２ ～ ０号单元） １ ０ ｍ， 长 ０ ０ ｍ 每个单元长 ５ ｍ， ０ｍ 方法 建立 空 间 刚架 模 型 。边 界 条 件 选 择 在 空 间 刚 单元号 （ 由柱底端 向上 、 梁左端向右） 依次增大。
文章编 号 ：１７ ６ ４—９ ５ （ ０ １ ４—０ ５ ０ ０ ７ ２ １ ）０ ５ ０— ４
基 于 三 向振 型 变 化 率 的 空 间 刚 架 结 构 损 伤 识 别
贾宏 玉 ，岳 鹏 飞 ，方 治 华
（．内蒙古科 技大 学 建 筑与 土木 ２程 学 院 ，内蒙古 包 头 １ １ ２ ２ 南京航 空航 天大 学 宇航 学 院 ，南京 ． ０４ １ ； １０ ０ ２０ １） １０６
２ ，可 以发 现 共 同 的 特 点 ：工 况 １振 型 变化 率 曲 ｂ
线 （ 后文简称曲线）在 ｌ ３ ～ 号节点位置 （ 号单 １ 元和 ２号单元）发生明显突变 ，工况 ２曲线在 ５ ～
基于振型导数的混凝土梁损伤识别方法
工 业 技 术建筑结构中钢筋混凝土构件,由于其具有良好的力学性能而被广泛使用。
然而在工程实践中,钢筋锈蚀和裂缝的存在对混凝土结构的危害性很大,故研究混凝土构件损伤识别有重要的现实意义。
由于结构损伤会导致结构动力特性的改变,基于这一原理,可以利用结构模态参数变化(固有频率、振型、阻尼等)来进行结构损伤检测。
近些年来,随着计算机软硬件技术、传感器技术、信息技术、振动测试技术的快速发展,基于振动特性的损伤识别方法已成为国内外学者广泛关注的课题。
模态振型是结构具体结点的位移,不同位置或不同程度的损伤将会导致不同的振型。
因此振型数据中包含着更多的损伤信息,模态振型的变化对损伤较为敏感,特别是对结构损伤进行定位,利用固有振型作为基本参数的方法识别损伤更加准确。
振型变化的损伤识别方法有以位移类参数(位移、位移模态、柔度矩阵等)和以应变类参数(应变、应变模态、曲率模态等)为基础的损伤定位方法。
这些方法均需要建立结构初始正常状态时的有限元模型作为识别基准,然后用当前结构振型实测数据修正结构模型,通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别结构的损伤状况。
本文主要介绍了一种基于振型导数的损伤识别指标,它不需要初始状态的有限元模型作为识别基准,只需测得已发生损伤结构的模态信息就能识别结构损伤的位置和程度。
基于振型导数的混凝土梁损伤识别方法①苏明于 滕海文(北京工业大学建筑工程学院 北京 100124)摘 要:基于弯曲梁横向振动理论,得到常数因子a 4,它是振型的四阶导数与振型的比值。
不同区域常数因子a 4的不同意味着局部刚度的改变,局部刚度的改变意味损伤的存在,因此可将常数因子a 4可以作为损伤指标。
运用ANSYS软件对局部损伤的钢筋混凝土梁进行数值仿真,得到前四阶模态振型,然后进行数值分析。
结果表明,基于振型导数的损伤指标可以对混凝土结构进行损伤定位和损伤程度的识别。
关键词:混凝土梁 损伤识别 振型导数中图分类号:T U 3文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)05(c)-0094-03①作者简介:苏明于(1981—),男,北京工业大学在读硕士研究生,北京,100124。
利用振型变化进行结构损伤诊断的研究
收稿日期:2003206210;修订日期:2003207217文章网址:http :///hkxb/2003/05/0422/文章编号:100026893(2003)0520422205利用振型变化进行结构损伤诊断的研究万小朋,李小聪,鲍 凯,赵美英(西北工业大学民航工程学院,陕西西安 710072)Structure Damage Diagnosis B ased on Analyzing Changes of Vibration ModeWAN Xiao 2peng ,L I Xiao 2cong ,BAO Kai ,ZHAO Mei 2ying(Civil Aviation Engineering College ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ′an 710072,China )摘 要:以悬臂梁为研究对象,在其上进行损伤模拟。
应用有限元程序进行模态分析,模态分析的结果表明第一阶振型改变率对不同位置和程度损伤的敏感性。
提出以第一阶振型改变率作为结构损伤识别的标识量。
应用神经网络,成功地识别了损伤的位置和程度,指出其可行性。
关键词:结构损伤;模态参数;损伤标识量;神经网络;仿真中图分类号:O327 文献标识码:AAbstract :Damages on a cantilever beam are simulated.Vibration mode analysis is by using commercial finite ele 2ment software ,and the analysis shows the sensitivity of the change ratio of the first order mode shape to the location and severity of structure damages.Hereby ,the change ratio of the first order mode shape is presented as the indica 2tor for structure damage detection.A successful identification of the location and severity of a structure damage is achieved by using artificial neural network.K ey w ords :structure damage ;modal parameter ;signature for damage detection ;neural network ;emulation 结构的概念范围广阔,与人们的生产、生活息息相关,结构中一旦出现损伤,便威胁到结构的安全性,甚至引起灾难性事故。
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二·基本方法和基本原理
• 模态置信度判据法 • 位移模态法 • 模态正交法 • 曲率模态法 • 应变模态法
这些方法均需要建立结构初始正常状态时的有限元模 型作为识别基准,然后用当前结构振型实测数据修正结 构模型,通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别。
• 启示：各种损伤识别方法都有其优缺点，对基于 振型的损伤识别方法来说，不同结构对损伤指标 敏感程度不同，因此，实际运用中要合理选择方 法。对各种结构何种方法比较合理，怎样才能更 合理，这也是需要我们探索的地方之一。
参考文献：
[1] 韩西，张伟 基于动力参数的桥梁工程结构损伤识别分析 ；
[2]黄盛楠，刘英奎，陆新征，叶列平 大型连续刚构桥梁模 型试验及损伤评估；
• 其原理是:当损伤未发生时,模态置信度判据为1 ;当 损伤发生,由于振型的变化,模态置信度判据不等于 1.
模态置信度判据法（MAC法）
位移模态法
• 以损伤前后振型的差值作为损伤定位参数. 当发生 损伤时,受到影响的自由度上的振型差值在损伤区 域就会出现比较大的值,可以利用振型差值来识别 损伤的位置 . 损伤前后位移模态差为: E =Φ0 — Φ (2)
模态置信度判据法（MAC法）
• 由结构动力学原理可知，结构完备的模态向量是 一组正交向量。但在实际工程中，由于测量自由 度小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测 量噪声的影响，测得的模态向量已不能保证其正 交性。在极端的情况下甚至会由于向量间的空间 交角过小而丢失重要的模态。因此，在选择测点 时有必要使测量的模态向量保持较大的空间交角， 从而尽可能的把原来模型的特性保留下来。
基于振型变化的 损伤识别方法
耿晓
一·国内外研究现状
结构振型包含更多的损伤信息,振型变化的损伤识别方法有 以位移类参数(位移、位移模态、柔度矩阵等) 和以应变类参 数(应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法。
. 国内外很多学者都致力于利用测试的振型数据进行 损伤定位。在早期一般是利用结构损伤前后的振型 进行直接比较来实现损伤定位。 · 1986 年West提出通过比较试验模态和计算模态 的模态保证准则MAC(Modal Assurance Criterion) 来识别结构损伤。 · 1988 年Lieven 和Ewins 在MAC 准则基础上又发 展了一步,叫做坐标模态保证准则COMAC。
2019/10/21
[3]万小朋, 李小聪, 鲍 凯, 赵美英利用振型变化进行结构损 伤诊断的研究；
[4]姚中伟，全强，刘立军 结构损伤识别理论的研究现状与 进展；
[5]欧进萍. 重大工程结构的累积损伤与安全评定; [6]王术新,姜哲 基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进 展
谢谢黄老师与诸位同学！
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图2 模型桥图片
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差 图4 加载工况图
图5 荷载步4~6振型曲率差 图6 荷载步2、5振型曲率差
图7 荷载步1~10频率变化
实例小结
• 该试验中，振型曲率差对结构损伤比较敏感，可 以通过振型曲率差与实际损伤的关系，由测得的 振型曲率差反推结构损伤情况。
• 得到曲率模态，继而评估梁的截面抗弯刚度变化, 从而判断损伤情况 .
• 该方法的不足之处是需要非常邻近的测点,以便利 用中心差分法求取曲率模态. 这样就要求足够密的 测点,或者要求精度非常好的插值扩阶模态,否则将 增大曲率模态振型的误差.
应变模态法
• 位移模态反映结构的固有振型,应变与位移呈一阶 导数关系,由于应变模态振型在局部损伤位置有明 显变化 ,可以将损伤前后应变模态振型差的绝对值 作为结构损伤的识别指标,记为 Dsm = | Φ0 - Φ| (4)
• 式中: Dsm 为应变模态振型差; Φ0 、Φ分别为结构 的应变模态振型和有损伤结构的应变模态振型.
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2019/10/21
Байду номын сангаас·实例分析
• 模型桥试验
本试验的模型桥是轻质混凝土预应力连续刚构桥， 其原型为云南安宁至楚雄高速公路14 号达连坝段。 模型桥按照1：4 的相似比，并依据抗弯刚度相等的 原则等效成T 型截面，其各跨跨度为4.75＋8.75＋ 4.75＝18.25m（如图1 所示），缩尺以后的模型桥 通过施加配重使其与原桥在自重下产生的应力相等， 图2 为模型桥施加配重以后的照片。将模型桥的该 状态作为桥梁完好状态，即损伤识别的原始比对状 态。
一·国内外研究现状
· 1991 年Pandey 提出了一个新的参数,即“曲率 模态”的概念。通过对比完好结构和损伤结构的曲 率模态的不同来识别损伤位置。
· 后来又有学者提出了“应变模态”的概念并通过 对比完好结构和损伤结构的应变模态的不同来识别 损伤位置,并且得出了应变模态比位移模态对局部损 伤更为敏感的结论。
模态正交法
• 利用模态的正交条件对损伤进行识别,当结构无损 伤时,模态满足正交条件;当结构发生损伤时,则模 态不满足正交条件.
• 由于该方法要用到模型矩阵(如刚度矩阵、质量矩 阵) ,这就涉及到测量模态的插值扩阶或模型减缩 问题.
曲率模态法
曲率模态法
• 曲率模态有两种测量方法：方法一是通过获得结 构的应变反应直接换算成曲率关系，继而寻找其 曲率模态；方法二是首先得到结构的位移模态， 通过差分的方法获取其曲率模态。