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少参数有限元模型更新与结构损伤识别方法研究

作　者: 刘杨
导　师: 张欣
学　校: 郑州大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 健康监测模型更新损伤识别多尺度分析小波分析
分类号: TU317
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国经济建设的快速发展,国家各方面的基础建设也在迅猛发展之中,陆续建设了许多大型的具有代表性的土木结构。这些大型建筑如大跨型结构,超高层建筑,跨海大桥等在社会发展中都起着重要的作用,但是正是由于其规模宏大所以结构也日益复杂,发生各种损害的几率也相应地增大,所以土木工程结构的健康监测和结构损伤识别的重要性就越来越凸显出来。对结构进行损伤分析,一方面可以预防完好的结构发生一些潜在的损伤,节约维护成本；另一方面可以确定已损坏结构的损伤情况,明确维修处理方案,避免了结构发生突发性事故的可能性。损伤识别是结构健康监测系统的最关键的部分,损伤识别结果的准确与否直接影响到了整个健康监测系统的作用。现阶段的损伤识别方法主要为基于有限元模型更新的损伤识别,而有限元模型更新与损伤识别同为反分析问题,因为在实际工程中有着广泛地应用前景而成为热门的研究课题。目前使用较为频繁的方法是通过非线性优化或者回归分析等数值方法寻求合适的模型参数向量,用有限元模型的理论模态拟合结构的实验模态,使两者间的误差范数最小,从而得到能够反映结构实际情况的有限元模型。但是此类问题有非常强烈的奇异性,一则模型更新或者损伤识别结果对于事先选定的需要更新的参数集的设定非常敏感；二则非线性优化过程具有极大的不确定性,迭代过程有可能收敛于局部最小值而不是全局最小值,不具有实际工程意义。对于比较复杂的结构形式或者损伤模式,需要建立精细的有限元模型才能正确模拟,所需单元量众多,需要通过大型非线性优化算法求解,此时会导致计算结果稳定性更低,几乎不能得到具有实际意义的结果。本文针对这些问题,主要做了以下几方面的工作：1.从多尺度分析的角度,利用第二代小波变换的方法,通过模型刚度更新为例将结构的更新刚度曲线利用多尺度的形式表示出来,实现了有限元模型的参数更新和结构的损伤识别,降低了模型更新过程中的不确定性。提出了有限元模型更新刚度曲线的低尺度表示,利用有限的实验信息,通过遗传算法优化求得更新刚度曲线在低尺度表示时的尺度函数系数与小波函数系数,获得更新刚度曲线。2.利用提出的多尺度分析方法,实现了复杂精细有限元模型的几何降维,获得在有限参数范围内与精细模型相似的简单有限元模型,并在此简单模型基础上实现模型更新与损伤识别。3.以一变截面箱梁为例,通过对设计的不同的损伤工况进行计算并对比计算结果来展示所提方法的有效性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-27
  1.1 土木工程结构健康监测的重要性  10-12
  1.2 土木工程结构健康监测与损伤识别的发展  12-15
  1.3 土木工程结构的损伤识别与模型更新概述  15-17
  1.4 基于振动的结构损伤识别研究现状与方法分类  17-25
  1.5 现阶段研究存在的主要问题  25-26
  1.6 本文主要研究的内容  26-27
2 小波分析理论介绍  27-38
  2.1 小波理论的产生历史和发展  27
  2.2 傅里叶变换  27-29
  2.3 窗口傅里叶变换(GABOR变换)  29-33
  2.4 小波变换  33-37
  2.5. 本章小结  37-38
3 多尺度分析与第二代小波理论  38-46
  3.1 小波与多尺度分析的关系  38
  3.2. 多尺度分析理论  38-42
  3.3 提升格式与二代小波函数和尺度函数的构造  42-45
  3.4. 本章小结  45-46
4 基于多尺度分析的结构模型更新与损伤识别方法与数值算例  46-70
  4.1 多尺度模型修正方法[33]  46-50
  4.2. 模型介绍  50-52
  4.3. 模型初始校准阶段计算  52-56
  4.4. 模型损伤更新阶段计算  56-68
  4.5. 本章小结  68-70
5 结论与展望  70-72
  5.1 结论  70
  5.2. 进一步研究的展望  70-72
参考文献  72-75
个人简历  75-76
致谢  76

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