一种基于模态信息的结构损伤诊断新方法

摘要

本发明一种基于大型在役结构物动力特性的损伤检测方法利用损伤前后的模态信息的差异进行损伤定位和损伤程度评估，利用结构的单元刚度矩阵和质量矩阵作为诊断项，根据损伤表征向量一次性进行损伤定位和损伤程度评估。本发明不需要质量归一化的振型，仅利用结构损伤前后的低阶模态信息即可，可以同时考虑结构刚度和质量的变化。该方法适用于单损伤，多种损伤工况下，能够精确定位出框架结构的损伤位置和损伤程度，具有一定的实际应用价值。

主权项

1、一种基于模态信息的结构损伤诊断新方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)基准模型建立：首先，根据结构物未损伤状态下的结构建立有限元模型；其次，将上述结构物的在役结构动力状态下，存储结构物服役阶段的环境激励下传感器实测的结构动力响应数据，利用模态参数识别技术识别其模态参数；最后通过模型修正方法修正所述在役结构物的有限元模型，得到能够反映未损伤结构实际动力特性的模型，作为损伤诊断的基准模型；(2)损伤检测：利用传感器测量结构物损伤后的结构动力响应数据，利用模态参数识别技术识别其模态参数，从实验模型中提取出Nj阶模态，从基准模型中提取出Ni阶模态，通过基准模型和实验模型的交叉，以及不同阶的模态交叉形成Nm＝Ni×Nj个交叉模型交叉模态方程，写为矩阵形式，有：Cα+Eβ＝f式中C和E为Nm×Ne阶矩阵；α和β为Ne阶列向量；f为Nm阶列向量，由此式可写为：Gγ＝f式中：G＝[C E]，$\gamma =\left\{\begin{array}{c}\alpha \\ \beta \end{array}\right\}$ 通过最小二乘法解出$\hat{\gamma }={\left(G^{T}G\right)}^{-1}{G}^{T}f,$ 上标T表示转置，其中$C_{n,\mathrm{ij}}={\Phi }_i^T{K}_n{\Phi }_j^{*},$ $E_{n,m}=-{\lambda }_j^{*}{D}_{n,m},$ $D_{n,m}={\Phi }_i^T{M}_n{\Phi }_j^{*},$ $f_m=-C_m+{\lambda }_j^{*}{D}_m,$ K和M分别表示结构的刚度矩阵和质量矩阵，Kn表示第n个单元的单元刚度矩阵，Mn表示第n个单元的单元质量矩阵，Фi，Фj*分别指结构基准模型和实验模型的模态振型，λi和λj*是基准模型和实验模型的特征值，这样利用基准模型和实测模态信息即可确定表示结构单元刚度和质量发生变化的修正系数αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)，其中α为结构单元的刚度修正系数，若-1≤αi＜0则表示第i单元发生损伤；β表示结构单元质量的变化，若βi≠0表示第i单元的质量发生了变化；(3)损伤程度评估：所得到的修正系数αi(i＝1，…，Ne)和βi(i＝1，…，Ne)的值的大小代表了相应单元的损伤程度和质量变化情况。