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空间网格结构健康监测系统关键技术研究

作　者: 刘伟
导　师: 孙毅；高维成
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 空间网格结构结构健康监测环境激励模态参数识别传感器优化布置模型修正损伤识别
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空间网格结构是一种由杆单元和梁柱单元集成的空间三维结构体系,具有受力合理、刚度大、自重轻、抗震性能好、工期短、造价低等优点,尤其能够满足建筑造型丰富、功能齐全等要求,被广泛用于大跨度工业与民用建筑及公共建筑领域,成为反映一个国家建筑科学技术水平的标志。由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾害因素影响,空间网格结构容易产生损伤累积和抗力衰减,甚至会发生破坏乃至倒塌的灾难性事故。因此,对大跨度空间网格结构在使用期间的健康监测以及各种灾害影响下的损伤识别进行研究,开发适合于大跨度空间网格结构的健康监测系统,具有重大的理论价值和现实意义。本文结合结构健康监测领域国内外发展现状,对空间网格结构健康监测系统关键技术进行了深入系统的理论研究,包括环境激励下模态参数识别理论、传感器优化布置理论、有限元模型修正理论、空间网格结构损伤识别理论,分别通过了数值仿真验证、实验室模型试验验证和实际工程现场实测验证,最终开发了一套功能强大的空间网格结构健康监测系统。对环境激励下结构模态参数识别理论进行了系统的研究,分别提出了环境激励下低阶时域模态参数识别方法的统一理论和环境激励下高阶模态参数识别方法的统一理论,揭示了不同方法之间的本质联系和不同点,完善了结构模态参数识别的系统化理论。比较了四种适合于环境激励下空间网格结构模态参数识别的方法,指出了它们优缺点及适用范围,验证了两类模态参数识别方法统一理论的合理性和有效性。针对目前传感器优化布置算法应用于空间网格结构的局限性,提出了一种基于改进遗传算法的传感器优化布置方法,以模态变形能和模态置信准则为适应度函数,提出十进制二维数组编码方式以提高数据存储量,为避免相同位置重复布置传感器引入强制变异算子,利用Guyan扩充振型与有限元计算振型均方误差大小评价传感器布置方案优劣,比较了不同测点工况下数据驱动随机子空间算法识别出的结构模态参数,指出了识别结构前若干阶模态所需的最少传感器数目。研究了结构健康监测领域常用的二种传感器优化布置方法,从数学的角度推导了模态动能法与有效独立法的理论相似性,指出了二者在具体应用中的不同之处,促进了传感器优化布置理论的统一化发展。从多自由度系统频响函数矩阵的模态展开式出发,推导了平均位移幅值、平均速度幅值和平均加速度幅值公式,在有效独立法的基础上提出了有效独立-平均加速度幅值法和有效独立-模态动能法,与有效独立法、模态动能法、有效独立驱动点残差法进行了比较研究,验证了两种方法的优越性。针对空间网格结构特点,提出了能够定量评估结构损伤程度的模态应变能损伤识别理论,采用非负最小二乘法求解超静定方程组,实现定量评估损伤程度,即保持了刚度矩阵的稀疏性,又不含除阻尼的任何近似和假设。讨论了测试信息完备和测试信息不完备两种情况下该方法对空间网格结构损伤的识别能力,并与基于最小秩摄动理论的损伤程度评估结果进行了比较研究,验证了方法的有效性。考虑空间网格结构杆件数目远大于节点数目的实际情况,提出了面向节点的基于三层BP神经网络的多阶段损伤识别方法,将标准化固有频率变化率和振型向量变化量范数作为神经网络输入参数,根据各个节点输出的损伤值来判定结构损伤位置和损伤程度,以一平面桁架结构仿真算例验证了方法的合理性。针对钢筋混凝土空间网格结构,提出了直接利用损伤结构模态信息即可进行损伤识别的曲率模态曲面拟合方法,通过曲率模态与曲面拟合值的差异进行损伤定位,研究表明其适合于钢筋混凝土空间网格结构的在线健康监测。设计制作了一空间桁架结构试验模型,对其进行较为充分的静力试验、动力试验和损伤识别试验研究。提出了联合静动力数据的有限元模型修正方法,对初始有限元模型进行了修正,获得了基准模型。按本文提出的方法进行了传感器优化布置和模态参数识别,通过杆端螺栓节点连接失效和节点附加质量来模拟结构杆件和节点损伤,研究结果验证了前文损伤定位方法对空间网格结构损伤识别的有效性。探讨了将该试验模型作为空间网格结构Benchmark标准验证模型的可行性,为不同研究者验证空间网格结构健康监测关键技术提供了统一标准模型。以空间网格结构为对象,系统研究了结构健康监测系统的基本组成和监测内容,开发了基于LabVIEW的数据采集系统和基于Matlab的结构模态分析与损伤识别系统(SMADIS 1.0),实现了动态数据采集及预处理、环境激励下结构模态参数识别、模型匹配和模型修正、损伤定位及程度评估等功能,研究表明基于LabVIEW和Matlab二者结合的软件开发模式值得在结构健康监测领域推广。对一空间管桁架游泳馆屋盖结构进行了现场检测研究,提出了全面系统的检测方案,对其进行了整体结构检测、常规静力检测和环境振动试验,并进行静力核算。依据现场实测结构尺寸、荷载和边界条件建立了三维有限元模型,进行了有限元模态分析。对比了四种适合于空间网格结构的环境激励下结构模态参数识别方法,对该结构的安全状态和工作性能进行了全方位评估,提出了加固改造维修方案,给出了相关结论。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-19
第1章绪论  19-51
  1.1 课题来源及背景  19-20
    1.1.1 课题来源  19
    1.1.2 课题背景  19-20
  1.2 空间网格结构健康监测的意义  20-22
  1.3 健康监测系统关键技术国内外研究现状  22-44
    1.3.1 环境激励下结构模态参数识别技术  23-27
    1.3.2 传感器优化布置技术  27-31
    1.3.3 有限元模型修正技术  31-36
    1.3.4 结构损伤识别技术  36-42
    1.3.5 健康监测系统研究与应用  42-44
  1.4 空间网格结构健康监测关键技术应用存在的困难与挑战  44-48
    1.4.1 环境激励下结构模态参数的准确识别问题  44-45
    1.4.2 传感器优化布置存在的困难  45-46
    1.4.3 有限元模型修正的瓶颈  46-47
    1.4.4 空间网格结构损伤识别遭遇的挑战  47
    1.4.5 结构健康监测系统综合集成的突破  47-48
  1.5 本文的构思及主要研究内容  48-51
第2章环境激励下空间网格结构模态参数识别理论研究  51-81
  2.1 引言  51-52
  2.2 环境激励下低阶时域模态参数识别方法的统一理论框架  52-62
    2.2.1 时间响应函数的获取方法  52-54
    2.2.2 ITD 法、MRITD 法、ERA 法和SSI-COV 法的统一理论  54-62
  2.3 环境激励下高阶频域模态参数识别方法的统一理论框架  62-71
    2.3.1 基于输出响应的频域识别理论模型  62-65
    2.3.2 RFP 法、RFOP 法、LSCF 法和PolyMAX 法的统一理论  65-71
  2.4 数据驱动随机子空间方法与频域分解系列方法  71-72
  2.5 平面桁架结构仿真算例  72-79
    2.5.1 有限元分析  72-73
    2.5.2 模态参数识别  73-76
    2.5.3 结果比较及验证  76-79
  2.6 本章小结  79-81
第3章空间网格结构传感器优化布置理论研究  81-113
  3.1 引言  81
  3.2 基于改进遗传算法的空间网格结构传感器优化布置  81-96
    3.2.1 改进遗传算法的基本理论  82-85
    3.2.2 适应度函数的选择  85-87
    3.2.3 平面桁架结构模型及优化结果  87-89
    3.2.4 改进遗传算法的收敛性  89-91
    3.2.5 优化结果比较及可靠性验证  91-96
  3.3 模态动能法与有效独立法的内在联系与区别  96-100
    3.3.1 模态动能法与有效独立法的数学相似性  96-100
    3.3.2 具体应用中的不同之处  100
  3.4 基于有效独立的两种改进传感器优化布置方法  100-111
    3.4.1 有效独立-平均加速度幅值法（EI-AAA）  101-104
    3.4.2 有效独立-模态动能法（EI-MKE）  104
    3.4.3 钢井字梁采光顶结构仿真算例  104-111
  3.5 本章小结  111-113
第4章空间网格结构损伤识别理论研究  113-148
  4.1 引言  113
  4.2 基于模态应变能的空间网格结构损伤程度评估  113-126
    4.2.1 剩余模态力损伤定位理论  113-114
    4.2.2 损伤程度评估的理论公式推导  114-116
    4.2.3 测试自由度完备下平面网架结构损伤程度评估  116-121
    4.2.4 测试自由度不完备下柱面网壳结构损伤程度评估  121-126
  4.3 基于神经网络的空间网格结构损伤识别  126-137
    4.3.1 BP 神经网络及参数选取与设计  126-128
    4.3.2 基于BP 网络的多阶段损伤识别方法  128-131
    4.3.3 平面桁架结构仿真算例  131-137
  4.4 钢筋混凝土空间网格结构曲率模态曲面拟合损伤识别理论  137-146
    4.4.1 钢筋混凝土空间网格结构简介及健康监测的必要性  137
    4.4.2 曲率模态曲面拟合损伤识别理论  137-140
    4.4.3 钢筋混凝土空腹网架结构仿真算例  140-146
  4.5 本章小结  146-148
第5章空间网格结构健康监测的模型试验验证  148-180
  5.1 引言  148
  5.2 空间桁架结构试验模型设计与静载试验  148-155
    5.2.1 试验模型设计  149
    5.2.2 测试仪表布置及加载方案确定  149-151
    5.2.3 试验结果及分析  151-155
  5.3 空间桁架结构损伤前后模态参数识别  155-163
    5.3.1 传感器优化布置  155-157
    5.3.2 损伤工况及试验过程  157-158
    5.3.3 试验结果及对比分析  158-163
  5.4 初始有限元模型建立及有限元模型修正  163-175
    5.4.1 初始有限元模型建立  163-165
    5.4.2 基于静动力的有限元模型修正理论  165-170
    5.4.3 模型修正过程与结果分析  170-175
  5.5 基于试验数据的空间桁架结构损伤识别  175-177
  5.6 空间网格结构健康监测Benchmark 标准验证模型初探  177-179
    5.6.1 健康监测Benchmark 标准验证模型的研究目标  177-178
    5.6.2 空间网格结构健康监测Benchmark 标准验证模型的建立  178-179
  5.7 本章小结  179-180
第6章空间网格结构健康监测系统设计与实际工程现场检测研究  180-216
  6.1 引言  180-181
  6.2 空间网格结构健康监测系统组成与监测内容  181-184
    6.2.1 系统组成  181-182
    6.2.2 监测内容  182-184
  6.3 基于LabVIEW 的数据采集系统软件开发  184-187
  6.4 结构模态分析与损伤识别系统（SMADIS 1.0）软件开发  187-198
    6.4.1 软件功能及体系结构  188-190
    6.4.2 数据分析与处理模块  190-192
    6.4.3 模态参数识别与后处理模块  192-195
    6.4.4 模型匹配及修正模块  195-196
    6.4.5 损伤定位及评估模块  196-198
  6.5 哈尔滨工程大学科技园管桁架结构游泳馆概况及检测方案  198-200
    6.5.1 管桁架钢结构游泳馆概况及现状  198-199
    6.5.2 管桁架钢结构游泳馆检测方案  199-200
  6.6 管桁架钢结构游泳馆现场检测与静力核算  200-203
    6.6.1 管桁架钢结构游泳馆现场检测  200-202
    6.6.2 管桁架钢结构游泳馆静力核算  202-203
  6.7 管桁架钢结构游泳馆现场动力测试  203-214
    6.7.1 有限元模态分析  203-205
    6.7.2 测点布置方案与测试过程  205-207
    6.7.3 环境激励下管桁架钢结构游泳馆模态参数识别  207-212
    6.7.4 模态参数识别结果对比与分析  212-214
  6.8 加固改造及维修建议  214-215
  6.9 本章小结  215-216
结论  216-219
参考文献  219-238
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  238-241
致谢  241-242
个人简历  242

空间网格结构健康监测系统关键技术研究

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