考慮隨機(jī)缺陷網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論及試驗(yàn)研究

1、目錄目錄2研究背景研究背景 （3-12） 1主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容 （13-23）2進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)度計(jì)劃 （24）3研究背景研究背景- -選題意義（選題意義（1 1）31 1 健康監(jiān)測(cè)是土木工程當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，健康監(jiān)測(cè)是土木工程當(dāng)前的研究熱點(diǎn)， 損傷識(shí)別是健康監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容。損傷識(shí)別是健康監(jiān)測(cè)的核心內(nèi)容。42 2 空間結(jié)構(gòu)承受荷載隨機(jī)性強(qiáng)。初始缺陷、局部桿件空間結(jié)構(gòu)承受荷載隨機(jī)性強(qiáng)。初始缺陷、局部桿件損傷均能顯著地影響結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力特性。損傷均能顯著地影響結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力特性。 隨機(jī)缺陷隨機(jī)缺陷施工中很容易施工中很容易出現(xiàn)誤差出現(xiàn)誤差施工不當(dāng)導(dǎo)致壓桿屈曲施工不當(dāng)導(dǎo)致壓桿屈曲概率論概率論

2、與與數(shù)理統(tǒng)計(jì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)研究背景-選題意義（2）5法國(guó)戴高樂機(jī)場(chǎng)法國(guó)戴高樂機(jī)場(chǎng)倒塌現(xiàn)場(chǎng)倒塌現(xiàn)場(chǎng)一旦出現(xiàn)事故，一旦出現(xiàn)事故，影響巨大影響巨大20102010冬奧會(huì)主會(huì)冬奧會(huì)主會(huì)場(chǎng)穹頂坍塌場(chǎng)穹頂坍塌3 3 大型空間結(jié)構(gòu)一般都是地標(biāo)性、標(biāo)準(zhǔn)型建筑，工程意大型空間結(jié)構(gòu)一般都是地標(biāo)性、標(biāo)準(zhǔn)型建筑，工程意義重大義重大 研究背景-選題意義（3）6研究背景研究背景研究背景研究背景-國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（1） 7000Z可靠狀態(tài)極限狀態(tài)失效狀態(tài)用 表示結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，稱作結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)。則結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可表示為： 概率密度函數(shù)針對(duì)空間結(jié)構(gòu)隨機(jī)缺陷針對(duì)空間結(jié)構(gòu)隨機(jī)缺陷可靠度基本理論可靠度基本理論123( ,)nZg

3、 x x xx(,)zzN 工程結(jié)構(gòu)需要有一定的可靠性，是因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工、使用過程中具有種種影響結(jié)構(gòu)安全、適用、耐久的不確定性。結(jié)構(gòu)可靠度數(shù)值模擬方法結(jié)構(gòu)可靠度數(shù)值模擬方法 1，蒙特卡羅法蒙特卡羅法 (Monte Carlo Simulation, MCS)， 2，響應(yīng)面法響應(yīng)面法（Response Surface Method, RSM)nkPg(x)Pnflim08研究背景研究背景-國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（2）國(guó)內(nèi)外的健康監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)外的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)過多年發(fā)技術(shù)已經(jīng)過多年發(fā)展，多種技術(shù)手段展，多種技術(shù)手段基于模態(tài)域數(shù)據(jù)基于模態(tài)域數(shù)據(jù)基于時(shí)間基于時(shí)間域數(shù)據(jù)的域數(shù)據(jù)的方法方法基于時(shí)頻

4、基于時(shí)頻域數(shù)據(jù)的域數(shù)據(jù)的方法方法基于固有頻率的方法基于振型的方法基于應(yīng)變模態(tài)的方法根據(jù)結(jié)構(gòu)在一段時(shí)間前后的響應(yīng)信息來(lái)識(shí)別損傷小波奇異性檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法小波包變換方法空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論基于通用健康監(jiān)測(cè)理論研究背景研究背景-國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀（3）9ijIndex( )( )udi jijij ( )( )( )udMSC jjj 2(1)2( )(1)( )iiiijjjjh ( )( )( )udSM jjj 2( , )TudijTTuuddiijjMAC i jmidijmiuijmidijuijjCOMAC121221)(2 ) 1()(2) 1()(hjfjfjfjfiiiiiji

5、jdijijMSEMSEMSEMSECRijTiijKMSE基于模態(tài)域數(shù)據(jù)的主要方法基于模態(tài)域數(shù)據(jù)的主要方法ii( )uij( )dijijhjui( , )MAC j ji( )uij( )dij動(dòng)力指紋動(dòng)力指紋計(jì)算公式計(jì)算公式公式說明公式說明固有頻率比固有頻率比為結(jié)構(gòu)的第為結(jié)構(gòu)的第 階固有頻率，該指標(biāo)消去了損傷程階固有頻率，該指標(biāo)消去了損傷程度的影響，而僅與損傷位置有關(guān)度的影響，而僅與損傷位置有關(guān)固有振型變化固有振型變化 分別為結(jié)構(gòu)損傷前后第分別為結(jié)構(gòu)損傷前后第i階第階第j自由度的振型自由度的振型 振型曲率變化振型曲率變化為模態(tài)階次；為模態(tài)階次； 為測(cè)點(diǎn)號(hào)；為測(cè)點(diǎn)號(hào)； 為為 測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的單元

6、測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的單元長(zhǎng)度長(zhǎng)度應(yīng)變模態(tài)振型應(yīng)變模態(tài)振型為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)振型為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變模態(tài)振型MACMAC 是結(jié)構(gòu)損傷前的第是結(jié)構(gòu)損傷前的第 階模態(tài)向量階模態(tài)向量 值等于值等于1 1或接近或接近1 1，認(rèn)為兩模態(tài)相關(guān)，損，認(rèn)為兩模態(tài)相關(guān)，損傷未發(fā)生；否則破損已發(fā)生。傷未發(fā)生；否則破損已發(fā)生。COMACCOMAC 分別代表?yè)p傷前后第分別代表?yè)p傷前后第i階模態(tài)在階模態(tài)在j點(diǎn)的模點(diǎn)的模態(tài)值，態(tài)值，m為所考慮的模態(tài)數(shù)目為所考慮的模態(tài)數(shù)目 柔度曲率柔度曲率h h為第為第j j測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的單元長(zhǎng)度測(cè)點(diǎn)兩側(cè)的單元長(zhǎng)度模態(tài)應(yīng)變能模態(tài)應(yīng)變能研究背景研究背景-研究不足（研究不足（1）不足之處：1 自振頻率密集型結(jié)構(gòu)，動(dòng)力特

7、性復(fù)雜。大部分結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性。 缺乏有針對(duì)性的損傷識(shí)別方法，空間結(jié)構(gòu)重頻模態(tài)描述方法存在不足。1011研究背景研究背景-研究不足（研究不足（2）不足之處：不足之處：2目前都是進(jìn)行確定性的結(jié)構(gòu)分析， 概率意義上的結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行的少， 結(jié)構(gòu)可靠度數(shù)值模擬方法 受軟件限制ANSYS中PDS部分的例題112研究背景研究背景-研究不足（研究不足（3）不足之處：不足之處：3目前缺乏識(shí)別結(jié)構(gòu)小損傷的有效方法，尤其是對(duì)局部構(gòu)件彈性模量下降在10%之內(nèi)的損傷難以識(shí)別。構(gòu)件剛度減少30%以上的時(shí)候，損傷很可能已經(jīng)可以用肉眼識(shí)別，再進(jìn)行監(jiān)測(cè)意義已經(jīng)不大。主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容131 1）基于隨機(jī)有限元和靈敏度分析的

8、具有初始缺）基于隨機(jī)有限元和靈敏度分析的具有初始缺陷的空間結(jié)構(gòu)損傷模擬陷的空間結(jié)構(gòu)損傷模擬 2 2）空間結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和損傷特征統(tǒng)計(jì)分析）空間結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和損傷特征統(tǒng)計(jì)分析3 3）空間結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)損傷識(shí)別方法及試驗(yàn)研究）空間結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)損傷識(shí)別方法及試驗(yàn)研究14主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容- -擬定章節(jié)擬定章節(jié)第一章 緒論第二章 參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征及敏感性分析第三章 損傷數(shù)值模擬及統(tǒng)計(jì)分析第四章 基于統(tǒng)計(jì)的損傷識(shí)別方法第五章 空間結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別試驗(yàn)第六章 結(jié)論與展望主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容- -參數(shù)的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性統(tǒng)計(jì)157L/6000 13L/6000 正態(tài)分布坐標(biāo)初始缺陷0.0090.3正態(tài)分布泊松比0

9、.00010.01正態(tài)分布壁厚0.0030.3正態(tài)分布管徑6.18e92.1e11正態(tài)分布 彈性模量 E方差方差均值均值分布類型分布類型名稱名稱max1/ 300Lmin1/1000L主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-參數(shù)的敏感性分析參數(shù)的敏感性分析16主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-參數(shù)的敏感性分析參數(shù)的敏感性分析17主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-參數(shù)的敏感性分析參數(shù)的敏感性分析18統(tǒng)計(jì)意義下的小損傷更加難以識(shí)別，在已有大量樣本統(tǒng)計(jì)意義下的小損傷更加難以識(shí)別，在已有大量樣本的基礎(chǔ)上，根據(jù)距離判別的方法，實(shí)現(xiàn)損傷的判別的基礎(chǔ)上，根據(jù)距離判別的方法，實(shí)現(xiàn)損傷的判別19主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-擬解決的問題（擬解決

10、的問題（1）1階模態(tài)Zernike矩幅值 2階模態(tài)Zernike矩幅值 1、2階模態(tài)Z71相位角 第1、2階模態(tài)Zernike矩 振型Zernike矩?fù)p傷識(shí)別新指標(biāo)MACZernike矩矩Zernike多項(xiàng)式多項(xiàng)式i階模態(tài)振型階模態(tài)振型運(yùn)算計(jì)算各階計(jì)算各階Zernike矩值矩值復(fù)數(shù)矩陣幅值幅值相位角相位角20 工況110第9階模態(tài)Zernike矩幅值集 工況1620第9階模態(tài)Zernike矩集 工況1115第9階模態(tài)Zernike矩集工況1115為相同類型桿件相同程度的損傷相同類型桿件相同程度的損傷引起Zernike矩幅值相同的變化，而其相位角存在差異工況1620為不同類型桿件相同程度的損傷不

11、同的工況在幅值和相位角方面都存在差異工況110為單一桿件不同程度的損傷Zernike矩 幅值不同，相位角不同 工況110第9階模態(tài)Zernike矩幅值集主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-擬解決的問題（擬解決的問題（2）21輸入輸入ZernikeZernike矩矩算法算法 支持向量機(jī)支持向量機(jī)輸出輸出損傷識(shí)別損傷識(shí)別基本思想是將樣本空間映射到特征空間(其維數(shù)通常比樣本空間高) ,在特征空間中求出原樣本集的最優(yōu)分類面,找出支持向量機(jī)來(lái)進(jìn)行模式分類。主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容- -擬解決的問題（擬解決的問題（3 3）本論文以Zernike矩、小波頻帶能量等損傷特征指標(biāo)作為支持向量機(jī)的輸入，經(jīng)過樣本訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間結(jié)構(gòu)小損傷的識(shí)別。如果可行，該方法對(duì)密頻結(jié)構(gòu)的小損傷比較敏感，且具有統(tǒng)計(jì)意義。SVM與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似，都是學(xué)習(xí)型的機(jī)制，但與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是SVM使用的是數(shù)學(xué)方法和優(yōu)化技術(shù)。SVM的特點(diǎn)是升維、線性化和小樣本。支持向量機(jī)(Support vector machines，SVM) 模式識(shí)別方法v試驗(yàn)中對(duì)理論的驗(yàn)證22主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-擬解決的問題（擬解決的問題（4）試驗(yàn)試驗(yàn)試件切割試件切割焊接焊接試驗(yàn)試驗(yàn)螺栓桿拆卸螺栓桿拆卸螺栓桿安裝螺栓桿安裝主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容-擬解決的問題（