基于矩阵摄动的随机结构动态载荷识别技术_孙兴盛 (1)
基于机器视觉和数字图像相关技术的混凝土损伤演化研究
第 50 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.50，No.11
Nov. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）
基于机器视觉和数字图像相关技术的混凝土
损伤演化研究
王青原 1，2，3，许颖 1，2，3†，钱胜 1，2，3
［1.哈尔滨工业大学（深圳） 土木工程智能结构系统深圳市重点实验室，广东 深圳 518055；2.哈尔滨工业大学（深圳） 广东省土木工程智能韧性结构重点实验室，广东 深圳 518055；
3.哈尔滨工业大学（深圳） 深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室，广东 深圳 518055］
摘要：提出一种在试件损伤过程中，以数字图像方法所得应变场为基础，采用机器视觉
识别快速获得对应损伤状态下试件表面裂缝分布的裂缝自动识别检测（Automated Crack De⁃tection and Measurement，ACDM）方法. 采用三点弯曲试验，以夹式位移计测量裂缝口张开位移
（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）作为参考用真实值，对ACDM的精度进行分析. 结
果显示，CMOD小于0.05 mm时，ACDM识别的误差小于0.01 mm，ACDM方法可用于分析微裂
缝尺度的混凝土损伤情况. 通过3组不同强度混凝土立方体试件的压缩试验，采用ACDM方法
所得裂缝面积直接表征损伤指标来反映试件的损伤演化情况. 结果表明，在宏观裂缝出现之
前，在不同损伤阶段下由ACDM方法所得损伤指标，对应数值变化均大于10-3，与目前表征损
伤应变场的不均匀性变异系数（Cv）相比更为灵敏和准确.
关键词：机器视觉技术；数字图像相关技术；混凝土；裂缝扩展；损伤
中图分类号：TU528 文献标志码：A
Study on Damage Evolution of Concrete Specimens Based on Machine
基于灵敏度分析的结构动态载荷识别研究
第２９卷第１Ｏ期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ 基于灵敏度分析的结构动态载荷识别研究 毛玉明，郭杏林，赵岩，吕洪彬 （大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连 １ １６０２３） 摘 要：对结构动态载荷反演问题进行深入研究，提出了一种基于灵敏度分析法的结构动态载荷识别时域分析技 术。将结构输入动态载荷表示为一系列参数的形式，通过灵敏度迭代分析来确定相应的载荷参数，从而确定结构的动态 输入载荷。在灵敏度迭代求解过程中，为减少响应测量噪声引起的影响，引入正则化求解技术来寻求满足工程要求的稳 定近似解。最后提出的方法成功应用于正弦级数迭加形式的输入载荷识别，仿真结果表明灵敏度分析法在载荷识别中是 有效的。 关键词：结构动力学；灵敏度分析；载荷识别；反演问题 中图分类号：ＴＨ１１３；０３２ 文献标识码：Ａ 准确确定结构的动态载荷是结构优化设计和结构 健康监测不可缺少的一个重要方面。对一些简单结构 通常采用直接测量法来确定，然而在大多数实际工程 中直接测量法往往难以实现，如力传感器的安装会阻 碍结构的正常运行，或者会改变结构本身的固有特性 等等。因此间接测量法得以提出——动态载荷识别技 术，即通过测量结构的动态响应来估计结构所受的动 态载荷。 结构动态载荷识别属于结构动力学反问题中第二 类反问题的研究范畴，载荷识别反问题求解过程中存 在不适定性，给问题的求解带来了困难，一般地载荷识 别问题主要研究三方面的内容：一是载荷作用位置的 识别，Ｎ．Ｈｕ等 提出了基于压电传感器嵌入技术载荷 识别方法，很好地识别了复合材料板上冲击载荷的时 问历程和作用位置；二是重构输入载荷作用时间历程 或载荷在频域内的幅值和相位信息，傅志方等 提出 了一种逆系统方法动载荷识别技术，避免了频响函数 求逆产生的不利影响；张方等 用广义正交多项式特 征技术建立载荷识别模型，解决了复杂结构的分布动 态载荷识别问题；胡海岩等＿４ 提出了基于模态选择 的动载荷识别技术，并成功应用于欧拉伯努利梁结构 和薄板结构的空间分布动态载荷识别；郭杏林等 提 出了基于Ｍａｒｋｏｖ参数精细计算的动载荷识别技术，并 讨论了测点数目以及测量噪声对载荷识别结果的影 响。最后是移动载荷的识别，Ｔ．Ｈ．Ｔ Ｃｈａｎ和Ｓ．Ｓ． Ｌａｗ等 对桥梁结构的移动荷载识别进行深入研究， 提出了ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ、￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ、Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ等方法，对移动荷载识别问 题进行研究；侯秀慧、邓子辰等¨ 针对桥梁结构移动载 荷识别问题，提出了基于精细积分法的桥梁结构移动 收稿日期：２００９—０６—３０修改稿收到日期：２００９—０７—３１ 第一作者毛玉明男，博士，１９８０年６月生 载荷识别法。 本文对动载荷反演问题进行深入研究，提出了基 于灵敏度分析法的结构动载荷识别技术。将结构输入 载荷进行参数化，通过结构动态响应对载荷参数的灵 敏度分析，进行迭代求解更新载荷参数，直到满足给定 的收敛条件；同时，在迭代求解过程中，为避免灵敏度 矩阵奇异性以及测量噪声导致求解结果发散，采用正 则化技术寻求满足实际工程要求的稳定近似解。 １ 动态载荷识别的灵敏度分析模型 １．１动载荷识别灵敏度分析 结构系统状态控制方程为： ＝ｆ［ ， （ ，ｔ），ｔ］ （１） 其中 是结构系统函数，Ｘ，Ｕ， 分别是结构动态响应、 输入载荷以及相应的输入载荷参数；相应地系统观测 方程为： Ｙ＝ｇ［ｘ，ｕ（ａ，ｔ），ｔ］ （２ａ） Ｙ＝Ｙ（Ｏｌｏ）＋ （Ａａ） （２ｂ） 其中：ｇ是观测系统函数；Ｏｌｏ为初始的载荷参数；△ 是 参数变化量；ａｙ为对应的结构动态响应变化量；设测 量响应为 ，则测量响应与计算响应之间的偏差定 义为： Ｊ＝ｖ［ｙ， ＝【（ 一Ｙ） Ｄ（ｙ—Ｙ）ｄｒ＝ ［ 一 （△ ）， 一 （△ ）］ （３） 其中： ＝ —ｙ（ｔｒｏ），Ｄ是权系数矩阵，一般情况下取 单位矩阵；由灵敏度分析可知： （ ＋Ａａ）＝ （ｏｌｏ）＋Ｓ△ （４） 是动态响应对载荷参数的灵敏度响应矩阵，将式（４） 代人到式（３）得： ．，：Ｉ（Ａ），一 △ ） Ｄ（ 一ＳＡａ）ｄＴ （５） 方程（５）两边对Ａａ求导得： ＝２ （ ＤＳＡｔｒ—ＳＴＤＡｙ）ｄ７－＝０（６）
结构连续分布的动态随机载荷识别方法研究
第２５卷第２期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
结构连续分布的动态随机载荷识别方法研究
张方 唐旭东 秦远田 邓吉宏
（１．南京航空航天大学振动工程研究所，南京２１００１６； ２．沈阳飞机设计研究所，沈阳１１００３５）
摘 要 复杂结构连续分布的动态随机载荷识别技术是结构动载荷识别技术的难点之一。推导了基于广义正交 多项式特征技术动态随机载荷识别模型，馋决了在一定精度范围内通过有限测量部位随机振动响应信息识别无限未知量 的结构分布动态随机载荷的关键技术，通过动态标定技术的研究和复杂结构有限元模型数值仿真计算验证了方法的正确 性、有效性和工程可用性，适用于具有沿结构分布的振动随机载荷识别，为分布动态随机载荷识别技术的发展打下一定的
基础。 关键词：载荷识别，随机振动，分布载荷，正交多项式，飞机结构 中图分类号：ＴＵ３１１．３，ＴＵ３５２．１ 文献标识码：Ａ
０引 言
结构动力学的动载荷识别技术属于第二类逆问题
的研究范畴。在数学抽象理论中属于源识别反问题。
它包括二方面的研究内容，第一方面是加载部位的识
别，第二方面是动载荷量值的识别。准确地获取一组
动载荷是确保工程结构设计正确性、可行性、可靠性和
安全性的基本工作。连续结构的随机载荷识别是一类
很复杂的问题，研究的方法也多种多样，研究的步骤都
是先建立动力学识别模型，再进行随机载荷的识别。
载荷识别的研究应遵循着从小规模到大规模系统、从
线性到非线性系统、从弱非线性到严重非线性的发展
准则。
基于广义正交多项式的基本理论，对连续系统的
沿结构分布的动态随机载荷识别进行较为详细的讨
论，建立了变截面结构模型在空间上具有相同频域功
率谱的随机分布载荷作用形式下的识别模型，并由此 识别模型推导出在空间上具有变化频域功率谱的随机
分布载荷作用下的识别模型，运用广义正交多项式的 理论，该识别方法将随机分布载荷统计特性的识别转
一种基于遗传算法的动载荷识别方法
・５０－ 第３８卷第２期 ２ ０ １ ２年１月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨｎＥＣＴＵＲＥ Ｖ０ｌ｜３８ Ｎｏ．２ Ｊａｎ． ２０１２
文章编号：１００９－６８２５（２０１２）０２—００５０—０２
一种基于遗传算法的动载荷识别方法
李永强常晓通
摘要：提出了一种基于遗传算法的时域内载荷识别方法，并通过工程实例加以分析，将遗传算法应用到载荷识别过程
中，将结构动力学的反问题转化为正计算，避免了传统方法的不足，进一步证明了该算法的有效性。
关键词：栽荷识别方法，优化，遗传算法
中图分类号：ＴＵ３１２ 文献标识码：Ａ
０ 引言
实际工程中，建筑物在受到地震荷载或风荷载时，会引起结 构振动。通常，我们依靠规范将其等效为静荷载。而如何从结构
的测量响应中来反求施加在结构上的激励，也就是载荷识别问
题，有着十分重要的意义。 已有不少学者应用不同的方法进行了动态载荷识别的研究，
并且取得了一定的成果。目前，载荷识别的方法主要有频域法和
时域法两大类…。其中频域法提出较早，主要利用激励和响应之
间频响函数求逆实现，但是矩阵求逆时经常遇到系数矩阵的病态
问题和奇异值分解问题 ；时域法是从系统动力学方程出发，根
据载荷和响应之间的复杂卷积关系的反分析，直接确定动态力的
时间历程 ，在工程中有很好的应用前景，其缺点是系数矩阵也
存在病态问题，并且对处置敏感，连锁递推也将导致累计误差的
产生，并且在有测量噪声时不够稳健。
遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局
搜索的优化方法。它借鉴了达尔文的进化论和孟德尔的遗传学
说，其本质是一种高效、并行及全局搜索的方法，它能在搜索过程 中自然获取与累积相关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过
程以求得最优解。本文将遗传算法应用到载荷识别的过程中，将
结构动力学的反问题转化为一个正问题寻优的过程，从而避免了
系数矩阵的病态问题，同时也不存在对初值敏感及累计误差等问
基于摄动法的随机梁式结构静力损伤识别
基于摄动法的随机梁式结构静力损伤识别
赵梦飞
【摘 要】提出了一种基于摄动法的随机梁式结构静力损伤识别方法.考虑初始模型的不确定性和测量误差不确定性建立随机控制方程.通过一阶摄动方法对随机控制方程求解关于随机损伤因子的统计特性,接着引入失效概率来识别结构损伤.对简支梁进行数值模拟,结果表明该方法可以准确定位损伤位置,同时可以精准定量损伤程度.
【期刊名称】《建材世界》
【年(卷),期】2019(040)002
【总页数】3页(P67-69)
【关键词】随机梁式结构;损伤识别;损伤概率
【作 者】赵梦飞
【作者单位】武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070
【正文语种】中 文
在实际工程损伤识别中，基于测量实测结构的响应不同，一般分为静态参量识别、动态参量识别以及静动力相结合损伤识别等方法[1]。静力损伤识别方法在健康监测中只需要基于模型单元的刚度特性，具有高精度和高稳定性的优点，在土木工程领域里受到越来越多的国内外学者的青睐。王志华等[2]考虑外界噪声对损伤精度影响，采用小波分析的方法，研究了识别裂缝深度与损伤识别之间的关系。Rucka M等[3]也通过小波变化对悬臂梁进行识别，采用了静力挠度的参考量识别，通过仿真模拟以及实验示例论证了在初始模型不确定的情况下也可以有效地识别裂缝。
由于测量数据的有限性，求解的算法方程往往是病态非线性方程，崔飞等[4]考虑了较少的量测数据所引起的测量误差，并且考虑到外界噪声的误差，综合梯度法、Guass-Newton和Monte-Carlo法有效地解决了不确定性问题，对研究随机损伤识别有参考价值。Xia Yong等[5]根据损伤前后的实际实测振动数据，考虑到频率和振型的测量数据不确定性，提出了一种基于模型修正的损伤识别的统计方法。
1 随机控制方程的摄动法求解
为了使数值模拟的模型与实际实验结构中的自由度相符合，采用静力凝聚法消去梁结构整体单元刚度中的转动自由度来计算。梁式结构在受到静力荷载作用下的平衡方程表示为
基于动态规划的动载荷时域识别方法研究
第３ｌ卷第ｌ３期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
基于动态规划的动载荷时域识别方法研究
朱涛 ，赵科 ，肖守讷 ，阳光武
（１．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都６１００３１；２．河南工程学院机械工程系，郑州４５１１９１）
摘 要：提出一种基于动态规划方程的动态载荷时域方法。首先从系统的状态空间方程出发，利用最小二乘法建 立系统响应的实际测量值与识别值之间的目标函数。将Ｂｅｌｌｍａｎ最优化原理运用到目标函数的最小化当中，推导出动态 优化载荷识别公式。通过一个多自由度数值算例对本方法进行验证，表明方法对含有噪声的动态载荷识别问题适应性 强，具有较高的识别精度。 关键词：载荷识别；动态规划方程；Ｂｅｌｌｍａｎ原理；时域法 中图分类号：０２２１ 文献标识码：Ａ
Ｆｏｒｃｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
ＺＨＵ Ｔａｏ ，ＺＨＡＯ Ｋｅ ，ＸＩＡＯ Ｓｈｏｕ—ｒｔａ ，ＹＡＮＧ Ｇｕａｎｇ—ＷＵ （１．Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ
ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ—ｓｐａｃｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ．Ｔｈｅｎ Ｂｅｌｌｍａｎ’Ｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｔｉｍａｌｉｔｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｍｉｎｉｍｚｉｎｇ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ