基于隨機(jī)子空間法的結(jié)構(gòu)損傷識別研究.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境中常會遭受各種損傷，從而引起災(zāi)難性事故的發(fā)生。因此，研究結(jié)構(gòu)的損傷識別問題對結(jié)構(gòu)的安全性具有重要的實際意義。目前國內(nèi)外對于損傷識別指標(biāo)的構(gòu)造，有兩種主要的思路。一是利用基準(zhǔn)有限元模型，結(jié)合有限元更新法和模式匹配法識別損傷（有模型法）；二是不需要基準(zhǔn)有限元模型，直接利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)或響應(yīng)的改變來識別結(jié)構(gòu)的損傷（無模型法）。通常情況下，實際結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)有限元模型和模態(tài)參數(shù)不容易得到，抑或精度不高，這就限制了有模型法在實

2、際工程中的應(yīng)用。因而，無模型法逐漸引起研究者的重視，尤其是其中的時域法直接利用響應(yīng)數(shù)據(jù)構(gòu)造損傷指標(biāo)，且理論嚴(yán)密，具有較好的應(yīng)用前景。
　　在時域法中，隨機(jī)子空間法是一種基于環(huán)境激勵響應(yīng)的時域模態(tài)參數(shù)識別方法。它概念清楚，理論嚴(yán)密、直接利用時域數(shù)據(jù)，克服了頻域法和時頻域法的頻率分辨率影響，近年來成為模態(tài)參數(shù)識別領(lǐng)域的基準(zhǔn)算法，廣泛應(yīng)用于大型工程結(jié)構(gòu)的振動特性分析。而在損傷識別領(lǐng)域，隨機(jī)子空間法的研究尚不完善，有待進(jìn)一步研究。

3、　　因此，本文選擇隨機(jī)子空間算法及其識別指標(biāo)作為主要的研究對象，分析隨機(jī)子空間算法中加權(quán)方式和系統(tǒng)矩陣求解算法對損傷識別的影響，并將其應(yīng)用在輸電塔架結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)輸電塔架結(jié)構(gòu)的損傷判定和損傷定位。本文所做的工作如下：
　　1.研究了基于子空間正交特性和基于預(yù)測誤差指標(biāo)的損傷判定和損傷定位，針對目前常規(guī)采用的奇異值曲線確定隨機(jī)子空間系統(tǒng)階次的不足，分別引入了奇異熵理論和穩(wěn)定圖方法進(jìn)行系統(tǒng)定階，使系統(tǒng)階次的選取更清晰，避免了系統(tǒng)階次選擇

4、的隨意性。
　　2.隨機(jī)子空間算法作為一個系統(tǒng)的識別算法理論，其中有多種系統(tǒng)矩陣求解算法及加權(quán)算法，以往有部分學(xué)者研究了不同的系統(tǒng)矩陣求解算法及加權(quán)算法對于模態(tài)參數(shù)識別效果的影響，而它們對損傷識別指標(biāo)的影響少有人進(jìn)行討論。本文討論了兩種不同的系統(tǒng)矩陣求解算法和三種不同加權(quán)方法的計算特性，研究了不同系統(tǒng)矩陣求解算法和加權(quán)方法對于損傷識別指標(biāo)的計算效果、區(qū)分度的影響，對比研究表明UPC和PC加權(quán)方法對于損傷識別指標(biāo)的區(qū)分度和計算精度是

5、最好的，且最小二乘算法的識別效果優(yōu)于觀測矩陣算法，建議應(yīng)用隨機(jī)子空間指標(biāo)進(jìn)行損傷識別時采用UPC方法進(jìn)行加權(quán)，采用觀測矩陣求解系統(tǒng)矩陣。
　　3.本文運用互補(bǔ)角指標(biāo)和歸一化指標(biāo)首先判別結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷和嚴(yán)重程度，然后運用預(yù)測誤差損傷指標(biāo)判別結(jié)構(gòu)的損傷位置，建立了一套結(jié)構(gòu)損傷判定和損傷定位的兩步法。
　　4.考慮到輸電塔體系復(fù)雜的工作環(huán)境，如健康狀態(tài)和未知狀態(tài)的測試溫度存在差異等。因此本文對輸電塔體系在溫度變化，及裹冰厚度較大