基于反共振頻率的梁結(jié)構(gòu)損傷定量識別開題報告

開題報告TOC\o"1-3"\h\u目錄2139一、課題來源、目的、意義，國內(nèi)外概況 基于反共振頻率的梁結(jié)構(gòu)損傷定量識別一、課題來源、目的、意義，國內(nèi)外概況1.課題背景及意義我國是一個多自然災(zāi)害的國家，幾乎每年都要發(fā)生地震、風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)和水災(zāi)等重大的自然災(zāi)害，這些自然災(zāi)害對土木工程結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴(yán)重的威脅。再加上土木工程結(jié)構(gòu)和重大基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計周期長，使用環(huán)境惡劣，隨著使用年限的增長，由于環(huán)境荷載的作用、疲勞效應(yīng)以及腐蝕和材料老化等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減。一旦結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的損傷積累到一定程度，如沒有被及時發(fā)現(xiàn)和處理，損傷將會迅速擴(kuò)展，很快就會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的毀壞，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因而，對在役的重要土木工程結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行健康監(jiān)測，特別是早期微小損傷的檢測就顯得非常重要。20世紀(jì)90年代以來，隨著大跨度橋梁、大型水利工程、隧道、核電站等大型工程項目的實(shí)施，基于振動響應(yīng)和系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷識別迅速成為國際學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。如在1996年的國際結(jié)構(gòu)控制大會上就提出了一個計劃，即成立三個工作組，歐洲、亞洲和美國各一個，主要任務(wù)就是研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測問題。自1997年起每兩年在Stanford大學(xué)都定期召開國際工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測會議,而在國際上召開的關(guān)于結(jié)構(gòu)振動控制或智能結(jié)構(gòu)的大會上，有關(guān)結(jié)構(gòu)損傷識別與健康監(jiān)測的報告也占相當(dāng)大的比例。我國自90年代中期在國家“攀登計劃”和國家自然科學(xué)基金的資助下也開始了這方面的研究。更為可喜的是，隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)和智能材料的發(fā)展，這方面的研究已經(jīng)取得了一些階段性的成果，表現(xiàn)為在一些重要工程結(jié)構(gòu)中建立了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如加拿大的Beddington鐵路橋、Taylor大橋、Confederation大橋、美國新墨西哥LasCruces的I-10橋等都安裝了光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)，日本明石海峽大橋、香港青馬大橋、徐浦大橋、渤海JZ20-2MUQ平臺、虎門大橋等也安裝了不同類型的健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過十幾年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)損傷識別與健康監(jiān)測逐漸成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的一門子學(xué)科。其研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，研究學(xué)者逐年增加，研究成果也逐年增多。近年來的研究成果表明，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立有助于在一定程度上消除隱患和避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)的一個核心問題就是如何對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系中已經(jīng)出現(xiàn)的初始損傷進(jìn)行有效的識別、定位以及程度評估，其中損傷定位是結(jié)構(gòu)損傷識別與健康監(jiān)測的關(guān)鍵，也是問題的難點(diǎn)之一。結(jié)構(gòu)損傷程度的評估則是更為復(fù)雜的一項工作，它牽涉到結(jié)構(gòu)模型化的準(zhǔn)確程度，損傷表述及其數(shù)學(xué)刻畫的合理性以及與各自行業(yè)的結(jié)構(gòu)損傷評定標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等息息相關(guān)。因此，盡管已經(jīng)研究多年，但由于結(jié)構(gòu)損傷定位與定量識別問題難度較大，目前國際上尚沒有成熟的解決方案，需要進(jìn)一步深入研究。2.基于振動響應(yīng)與動力特性的結(jié)構(gòu)損傷識別研究現(xiàn)狀基于振動響應(yīng)和系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)的關(guān)鍵之一是尋求一種更為有效的基于振動響應(yīng)測量信號的結(jié)構(gòu)損傷定位和定量識別方法。目前的識別方法按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方式，其中一種較為全面的分類方式是按照是否使用結(jié)構(gòu)模型來對識別方法進(jìn)行劃分，即將基于振動響應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)分為不基于模型的識別方法和基于模型的識別方法兩大類。不基于模型的識別方法的特點(diǎn)是不使用結(jié)構(gòu)模型，直接通過分析、比較結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的時程數(shù)據(jù)系列或者相應(yīng)數(shù)據(jù)的譜分析來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別。無模型識別方法可分為時域識別方法、頻域識別方法以及時頻分析方法。常用的時域方法有利用ARMA（自回歸滑動平均）、自相關(guān)函數(shù)和擴(kuò)展的卡爾曼濾波算法等一系列方法。頻域分析方法常用的有傅立葉譜分析、多譜分析（信號高次矩的傅立葉變換）、倒譜分析等。時頻分析方法則有小波分析、Wigner-Ville分布以及近年來發(fā)展起來的HHT(Hilbert-HuangTransform)法等。小波分析常用于從非穩(wěn)態(tài)信號檢測結(jié)構(gòu)損傷，它利用信號在不同尺度下小波系數(shù)的幅值與信號自身局部特征的聯(lián)系，通過識別小波系數(shù)的大小來識別損傷。近十幾年來小波分析已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別研究當(dāng)中。如高寶成等將裂紋模3擬為彈性鉸，利用小波分析法對簡支梁橋的裂縫進(jìn)行了診斷，取得了滿意的效果Hou等利用小波變換方法對ASCE結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作組提供的四層框架結(jié)構(gòu)的有限元仿真振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，成功地識別和定位了結(jié)構(gòu)損傷。此外對測量噪聲以及損傷程度對小波識別的影響也進(jìn)行了研究。Kim和Melhem對裂紋混凝土梁進(jìn)行了損傷識別的實(shí)驗研究。他們通過對混凝土梁進(jìn)行循環(huán)疲勞加載來制作混凝土裂紋損傷，然后用脈沖錘敲擊梁并通過在梁底面安裝兩個加速度傳感器來獲取加速度時程響應(yīng)，最后利用小波變換得到的等高線圖成功識別了損傷。隨后Kim和Melhem還對連續(xù)小波變換和離散小波變換的基本原理及其在結(jié)構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。Ovanesova和Suarez分別利用Harr小波和bior小波對平面框架結(jié)構(gòu)的裂紋損傷進(jìn)行了識別研究。研究結(jié)果顯示，只要合理選擇小波函數(shù)即可成功實(shí)現(xiàn)裂紋損傷識別。孫增壽等在結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)基礎(chǔ)上，提出了一種基于小波變換的結(jié)構(gòu)損傷檢測和定位方法。他們利用雙正交小波函數(shù)對損傷前后的結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)進(jìn)行小波變換，通過損傷前后小波變換系數(shù)的變化和分布情況建立了結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，并利用該損傷檢測技術(shù)對簡支梁的損傷位置和程度成功地進(jìn)行了識別。Zhu和Law利用小波變換對移動荷載作用下的梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了裂紋損傷識別的數(shù)值和實(shí)驗研究。他們基于線性斷裂力學(xué)，將裂紋模擬為扭轉(zhuǎn)彈簧；通過測量移動荷載作用下鋼筋混凝土梁上單個測點(diǎn)的位移響應(yīng)并對響應(yīng)進(jìn)行小波分析實(shí)現(xiàn)了單個和多個裂紋的識別。Wigner-Ville分布是時間-頻率的二維聯(lián)合函數(shù)，具有很高的分辨率，是解決時變系統(tǒng)識別問題的有效方法。但由于土木工程結(jié)構(gòu)一般不會產(chǎn)生強(qiáng)的非平穩(wěn)振動，這類方法在土木工程領(lǐng)域研究較少。HHT法則是上個世紀(jì)九十年代末發(fā)展起來的一種全新的信號分析方法。它由經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD—EmpiricalModeDecomposition)與Hilbert變換兩部分組成，能描繪出信號的時頻圖、時頻譜和幅值譜是一種更具適應(yīng)性的時頻局部化分析方法。該方法目前也已經(jīng)初步應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)參數(shù)識別和損傷檢測研究當(dāng)中。Yang和Lei就利用這一方法對三層非比例阻尼剪切型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別研究。數(shù)值分析結(jié)果表明，利用HHT法能有效4識別非比例阻尼線性結(jié)構(gòu)全部模態(tài)參數(shù)。Pine和Salvino較系統(tǒng)地介紹了信號處理的時域方法、頻域方法以及時頻分析方法，并對它們進(jìn)行了比較研究。特別指出利用HHT方法識別效果更為理想。隨后他們還利用HHT方法對遭受EICentro地震波作用的四層框架建筑模型進(jìn)行了損傷識別研究。Xu和Chen則利用EMD對實(shí)驗制作的三層剪切型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別研究。在該實(shí)驗研究中，框架安裝在振動臺上，框架第一層樓板的兩端各有一根彈簧與振動臺水平相連來提供附加結(jié)構(gòu)剛度，并通過分別解除預(yù)張拉彈簧來模擬不同程度的剛度損失。在不同損傷工況下，分別對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由振動、隨機(jī)振動和地震動測試，獲得各層樓板的加速度和位移響應(yīng)、柱子的應(yīng)變以及彈簧解除的時間，然后對振動響應(yīng)進(jìn)行EMD分解，識別了損傷發(fā)生的時刻和損傷位置。Huang等利用HHT對臺北高速交通系統(tǒng)的一座正在運(yùn)營的橋梁進(jìn)行了損傷檢測。檢測對象是跨度為25m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁組成的高架橋的一跨。人工檢測沒有發(fā)現(xiàn)損傷，然后在不影響交通的情況下對該段橋梁進(jìn)行加速度測試，并利用HHT對測試信號進(jìn)行分析尋找出信號的非線性特征來識別損傷。Yan和Miyamoto將改進(jìn)的HHT與連續(xù)小波變換分別應(yīng)用到Z24橋梁基準(zhǔn)問題等三個例子進(jìn)行參數(shù)識別的比較研究。比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于各階模態(tài)分得較開的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，上述兩種方法均可適用；但對于有很接近模態(tài)的系統(tǒng)，從參數(shù)設(shè)計的角度來看小波變換更為有效。由此可見，HHT方法還存在一些弱點(diǎn)，加上該方法提出的時間還不太長，還有很多問題需要進(jìn)一步研究和完善。不基于模型的識別方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，從而也就減少了理論和計算的工作量，同時也避免了由建模帶來的誤差。但從另一個角度來看，它過分依賴振動測量信號的準(zhǔn)確性。測量誤差、測量噪聲對識別結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，不基于模型的識別方法一般不直接與結(jié)構(gòu)本身的物理參數(shù)發(fā)生聯(lián)系，因而難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的定量識別。基于模型的識別方法則為被監(jiān)測結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其建模方法有理論建模、試驗建模和有限元建模，其中理論建模和有限元建模較為常見。理論建模多5用在簡單結(jié)構(gòu)如梁、板等構(gòu)件的損傷識別當(dāng)中，原因是梁、板類構(gòu)件的動力學(xué)問題還能尋求解析解或半解析解，而對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力問題則難以尋求解析解，只能尋求數(shù)值解?；谀Ｐ偷膿p傷識別方法有助于精確地標(biāo)定結(jié)構(gòu)的損傷程度和位置，因此受到國際學(xué)術(shù)界和工程界的特別關(guān)注。在土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用基于模型的識別方法進(jìn)行損傷檢測的研究很多。這類研究大致可分為以下三種，一種是根據(jù)已有的破損方案，比較測量結(jié)果和破損方案所預(yù)示的結(jié)果，最接近的破損方案即為識別結(jié)果。這種方法要求事先列舉結(jié)構(gòu)可能損傷的各種方案，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的有限元建模，通過對損傷結(jié)構(gòu)的正問題分析得到盡可能多的響應(yīng)預(yù)測值，才能確保此識別方法的可行性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)使得這種識別方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷識別方法首先對結(jié)構(gòu)不同損傷工況進(jìn)行有限元分析得到與之對應(yīng)的損傷指標(biāo)值，然后借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練等功能建立損傷與指標(biāo)值之間的映射關(guān)系，最后將測量值輸入已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)來尋求與之相匹配的損傷工況。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯、泛化等能力，使得這一種識別方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的識別成為可能。一種為模型修正法，通過測量結(jié)果反向識別出剛度、質(zhì)量、阻尼以及荷載變化，從而判別結(jié)構(gòu)損傷。模型修正法屬于數(shù)學(xué)上的反演問題，其具體的檢測算法有基于敏感性分析方法、基于優(yōu)化算子以及基于有限元模型修正的方法等。對于土木工程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)測量信息和結(jié)構(gòu)單元數(shù)都較多，在基于敏感性分析的方法中，敏感性矩陣將會很復(fù)雜，而且得到準(zhǔn)確的敏感性矩陣所需的計算量也很大；需要特別注意的是，當(dāng)某些位置的損傷對振動測量信息的變化量的影響非常小，或幾個位置的損傷對振動測量信息的變化量的影響很接近時，這時通過敏感性分析得到的最可能損傷位置常常是不正確的?；趦?yōu)化算子的識別算法有很多種，如線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃和遺傳算法等等。其中遺傳算法作為一種模擬生物進(jìn)化過程的隨機(jī)搜索機(jī)制在結(jié)構(gòu)模型修正和損傷識別領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用。易偉建等通過計算和實(shí)測的特征值來建立適應(yīng)值評價函數(shù)，利用遺傳算法和牛頓法對混凝土梁板類構(gòu)件的邊界參數(shù)進(jìn)行了識別研究。Ananda等利用特征值預(yù)測算法和正則化的殘余力向量來構(gòu)6建目標(biāo)函數(shù)，通過遺傳算法對歐拉梁和桁架結(jié)構(gòu)的剛度損失進(jìn)行了識別。然而目前基于優(yōu)化算子的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法過于依賴測量信息的數(shù)量與精度，加上適應(yīng)度求解難以滿足不同規(guī)模和類型結(jié)構(gòu)的要求，在基于模型的損傷識別時很難保證求解的速度和準(zhǔn)確性，不便于土木工程的應(yīng)用?；谟邢拊Ｐ托拚膿p傷識別技術(shù)，是結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時將使用結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)時的有限元模型所計算得到的振動響應(yīng)與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行對照，并利用選定的修正策略和測量的振動響應(yīng)來修正原始有限元模型中不準(zhǔn)確的部分，修正的過程也即是損傷識別的過程。目前圍繞該識別技術(shù)開展了大量的研究，取得了許多的有益的成果。但值得指出的是，基于有限元模型修正識別方法的精度與原始有限元模型的精度直接相關(guān)，要使原始模型具有足夠的精度，網(wǎng)格劃分必然很小，這樣勢必導(dǎo)致計算費(fèi)用的增加，而且運(yùn)用有限的測量信息去修正幾乎無限的未知量，必然會導(dǎo)致不精確的結(jié)論?；谡駝禹憫?yīng)和系統(tǒng)特征參數(shù)的損傷識別技術(shù)的另一關(guān)鍵問題在于選取一個可測的、對結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)。報道較多的損傷檢測參數(shù)有結(jié)構(gòu)的固有頻率、位移模態(tài)振型、應(yīng)變模態(tài)振型以及振型曲率等。Cawley和Adams通過采用一組不完備的固有頻率測量值對簡單結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度進(jìn)行了識別，但他們提出的方法還不能為大型結(jié)構(gòu)和多處損傷提供可靠的損傷檢測結(jié)果。Patil和Maiti用無質(zhì)量的轉(zhuǎn)動彈簧來模擬裂紋，并且使用傳遞矩陣法來求解多裂紋梁的彎曲振動問題。然后通過前三階固有頻率對不同支撐條件下的多裂紋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別。Zhu等則結(jié)合靈敏度分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，利用固有頻率測量值對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷檢測研究，數(shù)值與實(shí)驗結(jié)果顯示基于頻率的損傷識別法能識別出框架結(jié)構(gòu)損傷單元的位置和程度。West可能是第一個系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)振型信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷定位的學(xué)者。在識別過程中，他使用了結(jié)構(gòu)損傷前后的振型測量值和模態(tài)保證準(zhǔn)則MAC(ModalAssuranceCriteria)，而不要求對原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模。Waldron等介紹了基于工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形ODS(OperationalDeflectionShape)進(jìn)行損傷識別的基本原理和測量方法，并利用ODS對裂紋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別的數(shù)值與實(shí)驗研究。然而7利用固有頻率測量值和位移模態(tài)振型作為損傷識別指標(biāo)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康評估存在著許多不足。其原因為：固有頻率反映的是結(jié)構(gòu)的總體特性，對剛度、質(zhì)量的局部變化不敏感。因而試圖直接通過固有頻率變化來判斷結(jié)構(gòu)的局部剛度、質(zhì)量改變是不成功的；不同形式的結(jié)構(gòu)損傷可能產(chǎn)生相似的頻率變化特性。在對稱結(jié)構(gòu)中，兩個對稱位置上出現(xiàn)的損傷將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相同的頻率變化，因此，單純利用固有頻率來識別對稱結(jié)構(gòu)損傷會得到虛假的結(jié)果；大量的仿真和工程實(shí)踐表明：結(jié)構(gòu)老化和局部損傷雖然會改變結(jié)構(gòu)的固有頻率與位移模態(tài)振型，但是影響很小。特別是早期微小損傷所引起的固有頻率和位移模態(tài)振型的變化就更小。應(yīng)變模態(tài)對結(jié)構(gòu)損傷的敏感程度要大于結(jié)構(gòu)位移模態(tài)和固有頻率，而振型曲率模態(tài)則是應(yīng)變模態(tài)的一種特殊形式，基于曲率模態(tài)的損傷識別方法和基于應(yīng)變模態(tài)的損傷識別方法本質(zhì)上是一致的。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時，破損處的剛度會降低，其曲率和應(yīng)變均會增大。對大多數(shù)模態(tài)，在局部損傷位置應(yīng)變模態(tài)有明顯的峰值，且峰值大小隨損傷程度的增加而增加。Li等基于Rayleigh-Ritz法對損傷板進(jìn)行了應(yīng)變模態(tài)分析，利用得到的損傷板應(yīng)變模態(tài)建立了兩個新?lián)p傷指標(biāo)，數(shù)值與實(shí)驗研究證實(shí)了該識別指標(biāo)具有強(qiáng)大的損傷識別能力。應(yīng)變模態(tài)技術(shù)采用應(yīng)變模態(tài)的好處在于：可以直接研究某些關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變，如應(yīng)力集中問題、結(jié)構(gòu)局部損傷對損傷點(diǎn)及其周圍的影響問題；應(yīng)變傳感器如應(yīng)變片，光纖光柵應(yīng)變傳感器等不僅質(zhì)量小，而且應(yīng)變測量精度較高，同時還可埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行分布或準(zhǔn)分布測量，對結(jié)構(gòu)影響很小。但是當(dāng)用應(yīng)變模態(tài)或曲率模態(tài)參數(shù)進(jìn)行損傷識別時，振型曲率變化不僅會在損傷出現(xiàn)的地方出現(xiàn)峰值，在某些未損傷的高階模態(tài)也會出現(xiàn)峰值，這就給損傷診斷帶來了一定干擾。此外，應(yīng)用曲率模態(tài)參數(shù)進(jìn)行損傷識別需要非常密集的測點(diǎn)，以便使用中心差分法求取曲率模態(tài)；由于振型曲率本質(zhì)上是位移振型的二階導(dǎo)數(shù)，求導(dǎo)的過程會放大誤差，這就要求位移測量值具有更高的精度。此外，不少研究者還嘗試使用一些頻率域的振動參數(shù)如模態(tài)應(yīng)變能、傳遞函數(shù)、柔度矩陣、殘余力以及頻率響應(yīng)函數(shù)等。模態(tài)應(yīng)變能法是從結(jié)構(gòu)固有頻率、振型及8有限元模型出發(fā)，以模態(tài)應(yīng)變能改變率和模態(tài)應(yīng)變能改變?yōu)橹笜?biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測。如Shi等運(yùn)用模態(tài)應(yīng)變能改變率指標(biāo)對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別研究。Pandey和Biswa在其損傷識別研究中采用了柔度矩陣變化作為損傷識別指標(biāo)，對梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別。由于用于識別的柔度矩陣一般由結(jié)構(gòu)的幾個低頻振動模態(tài)建立，而低階模態(tài)易于測量，因此較為容易實(shí)現(xiàn)，但由于忽略了高階模態(tài)參數(shù)的影響，無法避免地存在著一定的誤差。David等學(xué)者利用頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和有限元模型，結(jié)合最小秩攝動理論，并假設(shè)所有產(chǎn)生損傷的方案情況，成功地對一桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別。Zhao和De-Wolf則將固有頻率和模態(tài)振型與模態(tài)柔度進(jìn)行了靈敏度分析對比研究，發(fā)現(xiàn)模態(tài)柔度比固有頻率和模態(tài)振型對損傷更敏感。更多的基于振動響應(yīng)與動力特性的結(jié)構(gòu)損傷識別研究可參考文獻(xiàn)。從上述回顧和分析可以看出，已有的基于振動的識別方法和識別參數(shù)還存在諸多不足，再加上土木結(jié)構(gòu)較多的不確定因素、復(fù)雜的工作環(huán)境及其大型性，使得這些識別方法和識別參數(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別研究中還存在一定的困難，因此，繼續(xù)探討更為有效的基于振動響應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法和更為可靠、敏感的識別參數(shù)有著非常重要的意義。3.基于反共振頻率的結(jié)構(gòu)模型修正和損傷識別技術(shù)研究現(xiàn)狀反共振指的是彈性系統(tǒng)在某些特定頻率的諧和激勵力作用下，系統(tǒng)某些部位出現(xiàn)諧和反應(yīng)等于零的情形。換句話說，反共振也就是指在某些頻率上系統(tǒng)某些部位的動柔度為零。從20世紀(jì)90年代開始，就有學(xué)者開始用反共振頻率進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型修正研究。Lallement和Cogan最先建議在進(jìn)行模型修正時，除了利用固有頻率和振型之外還可以使用反共振頻率。Rade等應(yīng)用反共振頻率數(shù)對兩端自由的梁結(jié)構(gòu)和平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模型修正，發(fā)現(xiàn)該方法可以提高模型修正的精度。Mottershead則對反共振頻率的靈敏度進(jìn)行了研究，認(rèn)為反共振頻率的靈敏度是結(jié)構(gòu)固有頻率靈敏度和振型靈敏度的線性組合。同時也指出由于反共振頻率比振型更容9易精確測量而更適合用于結(jié)構(gòu)的模型修正。D’ambrogio和Fregolent進(jìn)一步研究了基于反共振頻率的模型修正技術(shù)。他們通過數(shù)值仿真和實(shí)驗測試對由跨點(diǎn)頻響函數(shù)得到的反共振頻率和原點(diǎn)頻響函數(shù)得到的反共振頻率分別進(jìn)行模型修正的結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)由原點(diǎn)頻響函數(shù)的反共振頻率效果更好。Yang和Lee則利用頻率和反共振頻率并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對彈簧質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行了損傷識別研究。研究發(fā)現(xiàn)該識別方法能有效地識別彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的損傷位置和損傷程度。Jones和Turcotte利用反共振頻率和固有頻率對一6m柔性鋁框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模型修正研究。研究發(fā)現(xiàn)，同時應(yīng)用反共振頻率和固有頻率進(jìn)行模型修正得到的結(jié)果要比單獨(dú)利用固有頻率進(jìn)行模型修正好，前者修正結(jié)果與實(shí)驗頻響函數(shù)的相關(guān)性比后者與實(shí)驗頻響函數(shù)的相關(guān)性要大48％。在模型修正的基礎(chǔ)上，作者還利用曲線擬合法與模式分類法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)曲線擬合法比模式分類法識別效果更好。Bamnios等則對裂紋梁結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗特性進(jìn)行了數(shù)值和試驗研究，并利用得到的反共振頻率成功地識別了相對裂紋深度為40％及以上的單裂紋損傷。Inada等基于共振頻率和反共振頻率變化提出了一個兩階段分層損傷識別技術(shù)，并使用該技術(shù)成功對一復(fù)合層狀懸臂梁進(jìn)行了分層損傷識別。Dilena和Morassi分別利用縱向振動和彎曲振動梁的固有頻率和反共振頻率變化對單裂紋自由梁進(jìn)行了損傷識別。結(jié)論指出，合理使用固有頻率和反共振頻率對對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷定位可以避免單獨(dú)使用固有頻率進(jìn)行損傷定位時發(fā)生的不唯一?；诜垂舱耦l率的模型修正和損傷識別技術(shù)發(fā)展時間還不長，特別是利用反共振頻率信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別研究才剛剛起步，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。二、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案及主要措施本課題的研究重點(diǎn)是放在梁結(jié)構(gòu)，從導(dǎo)師的研究成果及已有資料來看，這種有反共振頻率研究的方法運(yùn)用于梁結(jié)構(gòu)是可行的，具有一定的可靠性，并且已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)值模擬實(shí)驗的檢驗。老師已完成了反共振頻率的定位研究工作，所以我需要達(dá)到的目標(biāo)首先從理論上建立起基于反共振頻率進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)損傷定量檢測的依據(jù)，然后通過程序數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。本研究課題的研究內(nèi)容是首先要利用波動理論和梁的邊界條件，連續(xù)條件等建立起梁結(jié)構(gòu)反共振頻率和梁的損傷程序之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，其次需要運(yùn)用Matlab建立結(jié)構(gòu)的最小二乘模型修正程序，驗證方法的可行性和穩(wěn)定性。最后討論分析本方法的適用優(yōu)劣。關(guān)鍵理論和技術(shù)即用波動理論和解微分方程的相關(guān)知識求解方程，MATLAB編程技術(shù)，最小二乘模型修正理論。技術(shù)指標(biāo)是，首先利用反共振頻率曲線進(jìn)行損傷單元定位，其次利用Matlab程序計算定量識別誤差探索損傷程度識別的準(zhǔn)確度。完成方案主措施為首先需要閱讀建立此種方法的幾位學(xué)者發(fā)表的論文，對方法的理論依據(jù)、試驗驗證以及存在的問題全面的了解。然后根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行理論的建立。在進(jìn)行程序的編寫和修改以及最后的調(diào)試。最后進(jìn)行各種工況下的損傷定位和損傷程度識別。驗證此方法的可行性。數(shù)值模擬