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基于遗传算法的梁类构件动力损伤识别方法研究

作　者: 于红理
导　师: 蒋济同
学　校: 中国海洋大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 损伤识别梁类构件遗传算法 Timoshenko梁
分类号: TU312.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在结构长期服役的时候,由于结构自身的疲劳、外界环境的腐蚀以及材料的老化等多项因素的作用会导致结构损伤的不断累积,甚至最终发生断裂破坏。目前损伤识别技术大部分是通过结构的整体动力响应信号来推求模态参数,然后再通过模态参数的改变量来诊断结构损伤的位置和程度。这种识别方法操作简单、成本相对较低。但是由于测试过程中产生不可避免的噪声、传感器位置和数量以及激励力的位置等因素的限制,此方法常常不能够精确得到损伤位置和程度,这就为实际运用带来困难。因此利用整体层次上的检测,大致判定结构损伤的位置,然后对结构可能的损伤部位进行局部构件检测。基于这一思想的识别方法才是比较现实和有效率的。本文利用局部振动对梁类构件进行动力损伤识别方法研究。所作的主要工作如下:首先,根据Timoshenko梁自由振动方程,建立了梁类构件两端弹性约束损伤识别理论模型,由此得到了Timoshenko梁两端弹性约束损伤识别模型的频率方程、振型系数方程以及单元平均应变模态。通过结构的矩阵特征问题,推导出梁类构件中间单元损伤时,引起梁上各个节点应变模态的变化量的理论公式,由节点应变模态变化量得出单元的平均应变模态改变量。建立的损伤理论模型以及推导出的方程,能很方便的求出损伤发生时,模型的固有频率、振型以及单元平均模态的该变量。为以后相似的研究带来了极大的方便。其次,建立两端弹性约束梁的ANSYS模型(这里用ANSYS模型来代替实物模型,用ANSYS的模态分析来代替实物模型的模态测试实验),用模拟两端弹性约束的弹簧常数的改变来模拟弹性约束的损伤,用中间单元弹性模量的改变来模拟中间单元的损伤。通过ANSYS的模态分析,获得其固有频率、振型以及单元平均应变模态。最后,根据建立的理论模型和ANSYS模型,得到以弹性约束损伤的理论平均单元应变模态与测量平均单元应变模态差的绝对值之和为最小的优化目标函数,形成梁类构件弹性约束损伤识别遗传算法优化的思想;得到以各个损伤单元应变改变量之差绝对值最小为优化子目标的多目标优化问题,形成梁类构件中间单元损伤识别遗传算法优化的思想。由此通过遗传算法,对两端弹性约束和中间单元的不同位置、不同程度进行损伤系数的优化识别,并对不同适应度函数所得结果进行了比较和总结。上述提出的对梁类构件弹性约束和中间的单元损伤识别的方法,能够比较准确的识别出损伤的为位置与程度,特别是对单处和两处损伤的情况,对早期损伤也有比较好的效果。比如:对弹性约束损伤识别的理论,可用于梁类构件两端的焊缝进行损伤识别检测;对中间单元的损伤别理论,可用于吊车梁危险截面的损伤识别检测等。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
1 绪论  12-17
  1.1 结构损伤识别技术研究的意义  12-13
  1.2 结构损伤识别技术研究的发展现状  13-15
  1.3 本文研究的意义和主要工作内容  15-17
2 结构损伤的动力学识别技术介绍  17-29
  2.1 结构损伤识别方法分类  17-19
  2.2 结构参数识别技术  19-20
  2.3 常用的几种动力损伤识别技术  20-27
    2.3.1 基于模态参数进行直接比较的识别技术  20-23
    2.3.2 基于模态参数衍生出的识别技术  23-25
    2.3.3 基于模型修正的识别技术  25-26
    2.3.4 基于计算智能的识别技术  26-27
  2.4 小结  27-29
3 遗传算法介绍  29-36
  3.1 遗传算法的发展与研究现状  29-31
  3.2 遗传算法的特点  31-32
  3.3 遗传算法的实现技术  32-35
  3.4 小结  35-36
4 梁类构件损伤的动力理论模型  36-52
  4.1 基于遗传算法的Timoshenko 梁两端弹性约束损伤识别理论方法  36-47
    4.1.1 梁构件两端弹性约束损伤识别的动力理论模型简述  36-38
    4.1.2 Timoshenko 梁的横向弯曲自由振动方程  38-40
    4.1.3 Timoshenko 梁两端弹性约束损伤识别模型的频率方程  40-44
    4.1.4 Timoshenko 梁两端弹性约束损伤识别模型的固有频率、振型  44-46
    4.1.5 单元平均应变模态作为目标函数基本构成的优点  46
    4.1.6 Timoshenko 梁两端弹性约束损伤识别模型的遗传算法优化思想  46-47
  4.2 基于遗传算法的Timoshenko 梁中间单元损伤识别的理论方法  47-51
    4.2.1 Timoshenko 梁中间截面处损伤识别的理论方法  47-49
    4.2.2 Timoshenko 梁中间单元损伤识别的遗传算法优化思想  49-51
  4.3 小结  51-52
5 遗传算法对梁类构件进行损伤识别  52-90
  5.1 建立梁构件两端弹性约束的ANSYS 模型  52-58
    5.1.1 建立梁类构件两端弹性约束的ANSYS 模型  52-54
    5.1.2 梁类构件 ANSYS 模型和理论解析模型的固有频率、振型模态、应变模态  54-58
  5.2 基于遗传算法的Timoshenko 梁两端弹性约束损伤识别结果  58-80
    5.2.1 遗传算法设计过程  58-60
    5.2.2 梁构件两端弹性约束不同损伤情况下的识别结果  60-80
      （1）一处损伤的识别结果  60-69
      （2）二处损伤的识别结果  69-77
      （3）三处损伤的识别结果  77-80
  5.3 基于遗传算法的Timoshenko 梁中间单元损伤识别的损伤识别结果  80-89
    5.3.1 不同单元发生不同程度的损伤梁构件应变模态的改变  80-83
    5.3.2 遗传算法设计过程  83-84
    5.3.3 梁类构件中间单元不同损伤情况下的识别结果  84-89
      （1）一处损伤的识别结果  84-85
      （2）二处损伤的识别结果  85-87
      （3）三处损伤的识别结果  87-89
  5.4 小结  89-90
6 结论与展望  90-93
  6.1 结论  90-91
  6.2 展望  91-93
参考文献  93-97
致谢  97-98
个人简历  98
发表论文  98

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