基于模态分析的中厚板焊接损伤识别
基于模态应变能法识别板类结构损伤的数值研究
摘 要： 应用模态应变能理论得到了能用于板类结构损伤的识别指标． 假定结构存在不同位置和不同程度的
损伤， 运用Ａ ｓｓ ｎｙ进行有限元分析 ， 得到板损伤前后的前五阶模态． 然后再运用 Ｍ ｔ ｍ ｔｓ ａ ｅ ａｃ 软件 ， ｈ ｉ 编程计算 结构的各单元的损伤指标． 数值模拟结果表明， 损伤指标在损伤单元处的数值是最大的． 因此 ， 采用本研究提 出的损伤指标， 对板类结构进行损伤定位识别是可行的．
在板类结构的损伤诊断中 ， 损伤定位是关键的一步 ， 用模态应变能方法来判别损伤 ， 综合考 虑了振型、 频 率、 整体及单元刚度等因素 ， ， 因此 该方法 比其它判别方法对损伤有更强的敏感性． Ｃ ｗｅ 和 Ａ ａ ｓ 以及 Ｈ ａ 和 Ｔ ｓ 等提出结构损伤前后任意两阶频率变化 的平方之 比只是损 ａｌ ｙ ｄｍ … ｅｒ ｎ ｅａ ｔ
‘
｝币｝ ］咖｝ ｛ Ｔ ｛鑫． ［
（） ４
式中： 表示损伤后的状态． 第ｉ 阶模态下 ， 子域的模态应变能变化为 ： 第
△ ＝ ｛ ｝ Ｉ 一 币ｔ １ ｝ 告币 Ｔ ｛ ｝ ［ ． 鑫［ 币 ｛ ４ － ］，
由 于有损板结构在损伤区域内的刚度是未知的， 所以近似取【 】 【 】则式（） 麟 ＝ ， ５ 可变为：
伤位置的函数． ａｄｙ Ｂｓａ［ 等在利用柔度变化进行损伤识别方面做 了有益 的研究．ｔ ｂ 等 Ｐｎ ｅ 和 ｉ ｓ － ｗ ３ Ｓ ｂｓ ｕ
基于模态应变能概念提出用损伤指标法来识别结构的损伤， 并将这一方法应用于梁结构和板 结构 的损伤 识别中．ｈＣｓ Ｓｉ ，等采用模态应变能的变化率作为结构损 伤指标， ］ ７ 在对梁结构和平面刚架结构 的损伤定位 和损伤程度判别方面 ， 都做了卓有成效的研究． 本研究以结构损伤前后单元模态应变能变化为指导思想 ， 提出能反映结构损伤定位的损伤指标 ， 以一 四边简支的矩形薄板为研究对象 ， 并 通过数值仿真来进行 板的损伤识别定位研究 ， 并对所用识别方法的有效性进行 了验证．
基于应变模态的模态应变能损伤识别方法
第39卷第1期 2019年2月振动、测试与诊断Journal of Vibration,Measurement &DiagnosisVol. 39 No. 1Feb. 2019doi：10. 16450/j. cnki. issn. 1004-6801. 2019. 01. 004基于应变模态的模态应变能损伤识别方法！周计祥、吴邵庆1!，董萼良1!，费庆国12(1.东南大学工程力学系南京,210096)(2.东南大学江苏省工程力学分析重点实验室南京，210096)摘要传统模态应变能计算需要完备模态振型信息，而模态振型信息中存在转角自由度难以准确获取的问题，为解决该问题，开展基于应变模态的模态应变能损伤识别研究，实现了结构损伤的定量识别。
首先，通过基于应变与 位移之间的联系，推导出应变模态与位移模态之间的转换矩阵；其次，利用应变模态代替位移模态计算单元模态应 变能，建立基于灵敏度分析的损伤识别方程组；最后，根据奇异值截断法求解该方程组识别结构损伤。
以一两端固 支梁结构为对象，开展数值仿真和实验研究。
结果表明，该方法可以有效识别出结构的损伤位置和损伤程度，相对 于基于振型扩充的模态应变能损伤识别方法，具有更好精度和抗噪性能。
关键词结构损伤识别（模态应变能（应变模态（灵敏度分析（奇异值截断中图分类号 0327;U441. 4;T H113. 1引言工程结构的安全问题至关重要，使得结构健康 监测[1]成为热门的研究领域之一。
结构在服役过程 中容易产生损伤，影响结构安全，结构健康监测中的 损伤识别一般可分为4个层次a结构是否发生损 伤；b确定损伤的位置；c确定损伤程度；I评估 结构剩余寿命。
结构中出现损伤会引起其动力学参 数发生变化，如结构模态参数等。
通过对比损伤前 后结构的固有频率、振型)2]等模态参数的变化，可以 判断结构是否发生损伤，然而由于固有频率和振型 等为全局参数，局部损伤对其敏感性较低，准确地定 位损伤甚至定量损伤，仍存在一定的难度。
基于模态参数的损伤识别方法研究的开题报告
基于模态参数的损伤识别方法研究的开题报告一、选题背景及研究意义近年来，结构健康监测的需求逐渐增多，其中结构的损伤识别是一个重要的问题。
传统的损伤识别方法多数采用模型校准法，这种方法需要先建立一个包含结构的全模型，之后在模型中加入损伤模型，最后将全模型和损伤模型进行比对分析。
然而，这种方法在实际应用中面临较大的困难。
其一是构建全模型的代价较高，其二是有些结构特征可能由于环境条件或者其他因素而改变，这导致损伤识别结果不够准确。
因此，研究基于模态参数的损伤识别方法具有很高的研究价值。
基于模态参数的损伤识别方法是一种针对损伤结构的非参数化方法。
这种方法不需要构建复杂的数学模型，而直接利用结构特性参数，如模态频率、模态振型等特征量，然后将这些特征量与未损伤结构的特征量进行对比，进而判定该结构是否存在损伤。
因此，基于模态参数的损伤识别方法具有高效、准确、经济等优点，在结构健康监测和损伤识别中得到了广泛的应用。
二、研究内容与方法本论文将研究基于模态参数的损伤识别方法，主要包括以下几个方面的内容：1. 建立利用模态参数进行损伤识别的理论模型。
通过研究不同模态参数对结构损伤识别的影响，建立相应的数学模型，并对模型进行训练和验证。
2. 研究不同结构类型中模态参数的特点。
通过分析不同结构类型的模态参数，确定合适的模态参数用于损伤识别。
3. 研究多源杂音对结构损伤识别的干扰及抑制方法。
通过分析结构运动数据中的多源杂音，研究其在损伤识别中的干扰，探究相应的抑制方法。
4. 制定基于模态参数的损伤识别算法。
根据建立的理论模型，确定基于模态参数的损伤识别算法，包括相应的计算步骤等。
5. 利用实验数据进行算法验证及结构损伤识别。
在不同结构上进行实验，收集其运动数据并利用所研究的算法进行结构损伤识别。
本论文将采取理论研究与实验研究相结合的方法进行。
首先，通过文献调研，掌握目前基于模态参数的损伤识别方法的研究进展；其次，为了研究模态参数的特点，将采用基于有限元模型的模态分析方法，分析不同结构特征和模态参数之间的关系；最后，将利用实验数据进行算法验证及结构损伤识别，通过比对损伤结构和未损伤结构的模态参数来判断结构损伤情况。
基于模态应变能的结构损伤识别研究开题报告-总结
论文题目：基于应变模态分析和改进神经网络的结构损伤识别研究损失，防止了桥梁垮塌等重大事故的发生，对保障桥梁的安全运营和延长桥梁的使用寿命起到了至关重要的作用。
下文从损伤指标和损伤算法两方面介绍该课题的国内外研究现状，并描述出基于此研究方法的发展趋势。
2.1损伤指标通过监测桥梁结构的固有频率、振型、应变模态、模态应变能等动力特性的变化，结合模态分析理论准确推断桥梁的健康状况，这些基于结构的动态特性的损伤识别方法都是国内外专家学者的研究对象。
这些方法都需要外部荷载激发出结构的模态，然而不同的损伤识别方法的效率不同、精度不同，排除噪声干扰的能力也不同。
接下来将会对上述方法逐一进行说明，基于固有频率变化的桥梁结构损伤监测识别方法适用于存在损伤、损伤量较大和桥型结构相对简单的桥梁结构进行损伤监测识别。
由于在模拟和试验中相对的结构自由度数和振型的个数不相同，即所测振型并不是有限元模型中完整的振型，从而增加了对桥梁结构损伤检测识别的误差，所以基于振型变化的桥梁结构损伤监测识别方法并非试验所需的理想理论方法。
基于模态应变能的损伤识别方法，其原理是当结构中出现损伤时，其模态应变能会出现耗散。
但是在进行基于模态应变能的损伤指标进行损伤识别，需要获取结构前几阶模态，倘若只单独使用某一阶模态，则不能分辨出模态节点附近的损伤，并且会受到噪声的影响而引起误判。
而应变模态是一种固有的结构振动特性，将其作为损伤指标能够比较灵敏地识别出结构的局部损伤，尤其是模态峰值附近范围内的损伤。
通过对几种损伤识别方法的对比分析，课题选用应变模态作为损伤指标。
但是在桥梁健康监测中可识别获得的模态参数大多为位移模态，当结构中遇到应力集中或局部结构变动对变动区附近的结构产生影响时，通过位移模态并不能获得精确的结果，因此我们需要找到结构在动载作用下应变响应的分布规律即应变模态。
获得应变模态的一种方法是根据位移与应变之间的换算关系，将位移进行一阶求导从而获得应变模态，但这种微分过程将使误差进一步放大。
基于模态误差函数灵敏度分析的损伤识别方法
矩 阵和柔 度矩 阵等 。 文献 ［ ］ 用 了三个 基于 频 响函 ９使
数 的 波形 指标 ， 果 显示 不 同指标 的对识 别 的 结 果 结
常 归结 为 一个 基 于模 态 参 数 匹配 的 优化 问题 ， 种 各
优化 方法 被用 来极 小化 分析模 型模 态参 数 和实测 模
态 参数 之 间的非线 性误 差 函数 。 大量研 究表 明 ， 于 对
数 将 导 致 优 化 反 问题 计 算 规 模 过 大 以及 识 别 结 果 非唯 一 性 等 问 题 。 文 提 出了 基 于 误 差 函 数 灵 敏 度 分 析 的 新 的 参 本
数 更 新 策 略 。该 方 法 将 少 数 优 势 单 元 参 数 的提 取 与 单 元 参 数 参 考 值 的 改 进 结 合 起 来 ， 现 逐 次 扩 增 的 参数 分 组 过 实 程 ， 一步所采用的优化反问题 中， 每 只求 解 较 小 规 模 的优 化 问题 。基 于 所 建 立 的参 数 识 别 方 法 ， 值 仿 真 结 果 显 示 数
于模 态频 率 的 多损 伤 位置 保证 准 则 、 于振 型坐 标 基 模 态 保证 准 则 、 于 频 响 函数 的 信号 保 证 准 则等 为 基 代表 的各 类 以相 关 性 为度 量 的结 构 损 伤识 别 指 标 ； 另一 类检 测 特 征参 数 的 变化 量 ， 括结 构 损 伤前 后 包 的 固有频 率 、 移模 态 、 变模 态 、 态应 变能 、 位 应 模 刚度
程 度 。 目前 常用 的无反 演条件 下 的结构 损伤 识别 指
标 主要有 两类 ： 类是基 于相 关性 的方法 ， 括 以基 一 包
研 究 内容 ， ｏ ｅｉｇ等对 基 于 动力 特 性 的结 构 损 伤 Ｄ ｂｌ ｎ 识 别 的研 究 工 作进 行 了深入 系统 地 回顾 与 归纳 ＿ ， １ ］ 近 年 国 内学 者也 以不 同视 角对 有 关 实用 理 论 、 法 方 和 技术 进行 了综述 ｌ 。 Ｌ ２ Ｊ 由于 大 型复 杂 结 构 的测 试信 息 的高 度稀 疏 性 ， 结 构 特征 向量 的模态 扩展 处理 和凝 聚降 维处理 及 其 混 合 方 法 都 将 引 入较 大 误 差 ＿ ， 伤识 别 过 程 通 ５ 损 ］
基于模态参数的结构损伤识别的方法讲解
基于信号处理的结构损伤识别方法
小波变换 HHT变换
非线性结构损伤识别方法
分形维数 Chaos（混沌）
关键问题
测试噪声及各种环境不确定性干扰 测试技术及仪器精度的制约
环境综合激励并非理想白噪声 测试自由度及模态不完备
土木工程结构的损伤识别问题目前没有真正的 解决
2%噪声
曲率模态法
3.0x10-10 2.5x10-10 2.0x10-10
10%损伤 20%损伤 40%损伤 60%损伤
1.5x10-10
1.0x10-10
5.0x10-11
0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
传感器位置编号
5%噪声
3.4x10-10 3.2x10-10 3.0x10-10 2.8x10-10 2.6x10-10 2.4x10-10 2.2x10-10 2.0x10-10 1.8x10-10 1.6x10-10 1.4x10-10 1.2x10-10 1.0x10-10 8.0x10-11 6.0x10-11 4.0x10-11 2.0x10-11
T
2
uj dj
uTjuj dTjdj
j 1, 2, n
2）曲率模态法
Pandey等人提出，当得到损伤结构和完好结构的振型后， 每一个位置处的曲率便可以用中心差分法近似地得到：
'' ij
i1, j 2i, j i1, j
/ h2
''
3.0x10-10 2.8x10-10 2.6x10-10 2.4x10-10 2.2x10-10 2.0x10-10 1.8x10-10 1.6x10-10 1.4x10-10 1.2x10-10 1.0x10-10 8.0x10-11 6.0x10-11 4.0x10-11 2.0x10-11
基于模态分析的工程结构损伤识别研究的开题报告
基于模态分析的工程结构损伤识别研究的开题报告1. 研究背景和意义随着现代工业的发展，大型工程结构的使用越来越普遍，因此保证工程结构的安全性和可靠性具有重要的意义。
然而，工程结构在长期使用过程中会受到各种因素的影响，如自然灾害、交通载荷等，导致结构损伤的发生。
因此，建立工程结构损伤识别方法，能够提高结构安全性和可靠性，对保障人民生命财产安全和促进社会持续发展具有重要的意义。
2. 相关研究现状在损伤识别领域的研究中，基于模态分析的方法被广泛使用。
该方法通过对结构的振动响应进行分析，提取结构的模态参数，进而判断结构是否存在损伤。
近年来，该方法在工程结构损伤识别中得到了广泛的应用，如桥梁、风电塔等。
目前，该方法的研究主要集中在损伤识别算法的优化、实验验证、复杂工程结构的损伤识别等方面。
3. 研究内容和方法本文旨在开展基于模态分析的工程结构损伤识别研究，具体研究内容和方法如下：（1）了解现有的基于模态分析的工程结构损伤识别方法，进行总结和比较分析；（2）分析基于模态分析的工程结构损伤识别方法的局限性，提出改进策略；（3）基于改进策略设计新的基于模态分析的工程结构损伤识别算法；（4）使用实验数据验证新算法的有效性和精度；（5）针对复杂工程结构的损伤识别问题进行进一步研究。
4. 预期结果和意义本文预期能够提出更加精确和高效的基于模态分析的工程结构损伤识别算法，解决现有算法局限性问题，提高工程结构损伤识别的精度和可靠性。
通过实验验证和复杂工程结构的应用研究，进一步推进该领域的发展，为保障工程结构的安全性和可靠性提供一定的理论和实践基础。
基于模态参数的工程结构损伤识别方法
Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｔ ｕ ｔ ｒ ｓｄ ｍ ａ ｅｄ ｔｃ ｉ ｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｄ ｌ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｇ ｅ ｅ ｔ ａ ｅ ｎ ｍｏ ａ ｏ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｉ ａ ｉ ｎ ａ ａ ｔ ｒｅ ｔ ｍ ｔｏ
ＺＨＯＵ ，Ｗ ＡＮＧ ｏ ｕ Ｙｉ Ｂａ —ｇ ｏ
少突然毁坏 的发生。
３温度监测技术 。正如人 的体温 可用于健康检查 ， ） 温 度参数 也常用于设备 的故障诊断 。其 中接触式测 温多用
于需要 连续监测或不 可观察 的部 位 ，非接触式测 温则多 用 于危 险部 位或不 易接近的部位 。
◆检 测 ・ 验 ・ 试
基于模 态参数 的工程结构 损伤识 别方法
周 毅， 王保 国
（ 西南 交通 大学 牵ｉ动 力国家重点 实验 室， ｌ 四川 成都 ６ ０ ３ ） １０ １ 摘 要： 介绍了结构故障 诊断的技术手段以及应用振动诊断进行结构损伤识别 的研究 现状 。应 用有限元程 序进 行模
ｆｎｅｉｎ ｕ ｔ ｏ
随着科技 的进 步 ， 现代 空问结构 正在 向着 大型化 、 复
故 障诊 断的手段 上来讲 ， 目前 已形成 以振 动测试技术 、 油 液分析技术 、温度监测技术 及无损探 伤技术等为 主要 手
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（） ５
（） ６
因 ［ 、Ｍ］都是对 称矩 阵 ， 、Ｍ］分 别为 特征 向量 和特征 值 ， 整 理后式 （ ） 变为 ： Ｋ］ ［ ［ 故 ６可
［ Ｔ８ ［ ］ ［ Ｋ］ ］一 艿 ］ ［ ［ ∞ ［ ｒ Ｍ］ ］一 ０
［ 稿 日期 ］ ２ １ 收 ０ ０—０ —１ ６ ２ ［ 者 简介 ］ 张系 斌 （ ９ ６一 男 ，１ ８ 年 大 学毕 业 ，硕 士 ，教授 ，现 主 要 从 事 结 构 工 程 与 钢 结构 方 面 教 学 与 研 究 工 作 。 作 １５ ） ９２
对 简谐 振动 ， ： 有
ｑ一 ￣ ｉ ｗｔ ｂｓｎ
（） 工
式 中 ，Ｋ］ ［ 、ｃ ［ 、Ｍ］ ［ ］分别 为单元 刚 度矩 阵 、 质量 矩 阵 、 尼矩 阵 ；｛ ｝ ｛ ｝ ｛ ｝ 别 为位 移 矩 阵 、 阻 ｑ 、 口 、口 分 速度 矩
（ ２）
式 中 ， 为 振 幅 ， ｃ为 系 统 固 有 圆频 率 ， ； 为 时 间 ，。 ｍ；， ｃ Ｈｚ ｔ ｓ
伤 ，该损伤 严重 时将直 接导 致结 构性 能劣化 。基 于模 态分 析的结 构损 伤识 别方 法除 了能 检测结 构整 体
损伤 之外 ，还具 有检测 其他 方法无 法探 测 的损 伤 的优点 。此 外 ，该方 法还 能对结 构进 行实 时监测 ，近年 来 开始 逐渐 应用 于土木 工程 领域口 ］ 。为此 ，笔 者对基 于模 态 分 析 的 中厚板 焊 接损 伤识 别 方 法进 行 了探
长 江大 学 学 报 （ 自然 科 学 版 ） ２１ 年 ９ 第 ７ 第 ３ ：理工 ００ 月 卷 期一 Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ａ ｇｚ ｎｖ ｒ ｔ Ｎ ｔ ｃ Ｅ ｉ Ｓ ｐ ２ １ ．Ｖｏ． ． ：ｓ ｉ Ｅ ｇ ｏ ｒ ａ ｏ ｎ ｔｅＵ ｉｅｓ ｙ（ ａ Ｓ ｉ ｄｔ Ｙ ｉ ） ｅ．００ １７Ｎｏ ３ ｃ ＆ ｎ
［ 关键 词 ］ 焊接 损 伤 ；模 态 分 析 ；特 征 比
［ 中图分类号］Ｔ １． Ｕ３ ２ ２
［ 文献标 识码 ］Ａ
［ 文章编号］１ ７ —１０ （００ ３一 ２ 一ｏ ６ ３ ４裂纹 、应力 集 中 、气 孔 、夹 渣 与 夹 杂 物 、未 熔 合 等 焊 接 缺 陷 引起 的焊 接 损
第 ７ 第 ３期 ：理 工 卷
张 系 斌 等 ：基 于 模 态 分 析 的 中 厚 板 焊 接 损 伤 识 别
对 于 第 ｉ阶 模 态 有 ：
蚴 一 丽 酮 ｉ ｛
一
（ ７ ）
将 整体 刚度 矩 阵 分 解 ， 可通 过 各 个 单 元 的刚 度 ［ ］来 表 达 ， 单 元 变 形 ［ ］可 通 过 振 型 表 示 ， Ｋ 且 ￡ 即
［ 一 ［ ）Ｊ ￡ ￡ （ 一 。
因此 ：
［ Ｋ Ｅ 一 ∑ ［ （ ］［ ［ （ ］ ］Ｅ ］￣］ ｒ ￡ ）－Ｋ ］￡ ） ｒ
基 于 模 态 分 析 的 中 厚 板 焊 接 损 伤 识 别
张 系 斌 ，李 军 ，刘 焕 玉 ，陶承 伟 （ 长江大学城市建设学院， 湖北 荆州 ４４２） ３０ ３
段 慧 强 （ 杭州昭辰建筑有限 公司， 浙江 杭州 ３０ １０５ １）
［ 要 ］ 对 钢 结 构 损 伤 的 准 确 识 别 是 确 保 钢 结 构 安全 可 靠 的 重 要 保 证 。提 出 了一 种 利 用 动 力 试 验 结 合 有 限 摘 元模 拟检 测 钢 结 构 损 伤 的方 法 ，先 通 过 有 限 元 模 型 计 算 损 伤 中厚 板 的 模 态 频 率 ，再 结 合 现 场 所 采 集 的 试 验 数据 ，利 用 模 态 分 析 技 术 获 得 焊 接 中厚 板 的 损 伤 前 后 动 力 参 数 。利 用 损 伤 前 后 中 厚 板 各 单 元 的特 征 比 确 定 板 的损 伤 位 置 。 经 实 例 验 算 ，证 明 该 方 法 准 确 、 简 便 ， 提 高 了钢 结 构 损 伤 识别 的 效 率 和 精度 。
令 ［ ］一 ０ ［ ］一 ０ 将 式 （ ） 入式 （ ） 可得无 阻尼 自由振动 时 的动力 方程 ： Ｆ ，Ｃ ， ２代 １， ［ ［ ～ ［ ［ 一 ０ Ｋ］ Ｍ］ 鲥
式 中， ］为振 幅矩 阵 。 ［
（） ３
２ 结 构 损 伤 位 置 的 判断 识 别
当结构 单元 中某单 元发 生损伤 时 ， 得单 元 刚度 矩 阵和 质量矩 阵将 发 生变化 ， 导致 ∞和 也产 生微 使 并
讨 ，通 过测量 结构 模态参 数 ，利用频 率 变化平 方 比的折 线 图对 比识 别 中厚板 构件 焊接损 伤 。
１ 动 力方 程推 导
对 于 线 弹 性 结 构 ，振 动 方 程 为 ： ］
［ ｛ ＋［ ］ 口 ＋ ［ ｛ ｝一 Ｅ Ｍ］ ｝ ｃ ｛ ｝ Ｋ］ ｑ Ｆ］ 阵 、 速度 矩阵 ；Ｆ 加 ［ ］为外 力矢量 。
（ ）可 变 为 ： ４
［ Ｋ］ ４ ［ 一 ［ ［ ］ ＋ ［ ［ ］ 跏 ］Ｍ ［ Ｋ］ 一 。Ｍ］ ］一 ０ ［ ［
将上 式左乘 ［ 得： ［ ａ ［ ］ ［Ｋ］ ］一龇 。 ］ ［ Ｅ ］ ＦＩ ］ ［ 一 ［ Ｍ］ ］一 ０ ［ ＭＩ ｎ － ｒ Ｋ］ ａ ］ ［ ［
小变化 ， 式 （） 变为 ： 故 ３ 可
｛［ （ Ｋ］＋ ［ Ｋ］ 一 （ Ｍ］＋ ［ Ｋ］ （ － ） （ ］ Ｆ［ Ｋ］ ＝０ ａ ） ［ ａ ） Ｉ － ｝［ － ａ ）＝ ＝ （） ４ 对 式 （ ） 开后 忽略二 阶项 ， ４展 并将 式 （ ） 人 ， 考虑 损 伤 引起 的微 小 质量 变 化 （ ３代 不 即［ Ｍ］一 ｏ ， ） 则式