[發明專利]一種剪切型框架結構損傷識別方法

有效

• 申請號: 200710053157.0
• 申請日: 2007-09-06
• 公開（公告）號: CN101122583A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發明（設計）人: 朱宏平;李林;陳曉強;王丹生;陳歡
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14;G06F17/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

1.一種剪切型框架結構損傷識別方法，其步驟包括：

(1)在結構每層安裝加速度傳感器，在外激勵作用下，分別測試結構在完好狀態和損傷狀態的時程響應，然后提取結構的一階振型，并將振型對質量矩陣標準化，即

${\mathrm{\φ}}_1^{T}M{\mathrm{\φ}}_1=1$

φ₁表示結構的一階振型，φ₁^T表示結構一階振型的轉置，M為結構的質量矩陣。下面步驟中所提到的振型均為對質量矩陣標準化振型；

(2)計算結構各層一階振型斜率的改變Δφ_1j′，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1j}^{\′}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1j}-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{1(j-1)}}{h_j},j=\mathrm{1,2},...,N$

φ_1j′表示第1階振型的第j層振型斜率，Δφ_1j′為損傷前、后第j層在第1階振型的振型斜率的變化量，φ_1j為第1階振型的第j層振型位移，Δφ_1j為損傷前、后第j層在第1階振型的振型位移的變化量，h_j為第j層的層高，N為結構總層數；

(3)建立未損傷結構的數值模型，進行的模態分析，獲取結構未損傷狀態下的各階圓頻率和振型；

(4)利用下式計算一階振型斜率對層間剛度的敏感性系數

$S_{1j,t}^S=\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{1j}^{\′}}{\∂K_t}=\frac{1}{h_j}(\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{1j}}{\∂k_t}-\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{1(j-1)}}{\∂k_t}),j=\mathrm{1,2},...,N;t=\mathrm{1,2},...,N$

式中：S_1j，t^S表示第1階振型的第j層振型斜率對第t層剛度的敏感性，k_t表示第t層的層間剛度，t表示結構的層序號，φ_1j/k_t表示第1階振型的第j層振型位移對第t層剛度的敏感性，其值由下式計算

$\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_1}{\∂k_t}=\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\φ}}_i,$其中${\mathrm{\β}}_i=\frac{({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{it}}-{\mathrm{\φ}}_{i(t-1)})({\mathrm{\φ}}_{1t}-{\mathrm{\φ}}_{1(t-1)})}{{\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_i^2}$

φ₁/k_t是第1階振型對第t層剛度的敏感性，φ_1j/k_t為φ₁/k_t的第j個分量，ω₁和ω_i分別為結構第1階和第i階圓頻率；

當t＝1時

$\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_1}{\∂k_1}=\underset{i=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{\mathrm{\φ}}_i,$其中${\mathrm{\β}}_i=\frac{{\mathrm{\φ}}_{i1}{\mathrm{\φ}}_{11}}{{\mathrm{\ω}}_1^2-{\mathrm{\ω}}_i^2}$

當j＝1時

$S_{11,t}^S=\frac{1}{h_1}\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_{11}}{\∂k_t}$

(5)首先找出一階振型斜率改變Δφ_1j′為正的層，設總共有m1層一階振型斜率變化為正，用d表示這些一階振型斜率變化為正的層號，記這些層的一階振型斜率變化為C_1d，d^S，M0，表示由測試數據得到的初始一階振型斜率改變值；然后，由下列公式分別計算各一階振型斜率變化為正的層引起的其他層的一階振型斜率變化量

$C_{1j,d}^{S,C1}=\frac{S_{1j,d}^S}{S_{1d,d}^S}\×C_{1d,d}^{S,M0},j=\mathrm{1,2},...,N,j\≠d;$

式中C_1j，d^S，C1表示由于第d層損傷引起的第j層一階振型斜率改變第1次修正值，將所有一階振型斜率變化為正的層引起的第j層一階振型斜率修正值C_1j，d^S，C1反號疊加到第j層的原一階振型斜率改變值上，即

$C_{1j,d}^{S,M1}=C_{1j,d}^{S,M0}-\stackrel{m1}{\mathrm{\Σ}}{C}_{1j,d}^{S,C1},j=\mathrm{1,2},...,N,j\≠d;$

式中C_1j，d^S，M1表示經過第1次修正后的第j層一階振型斜率改變值；

(6)以修正后的各層一階振型斜率改變值為基礎，重復步驟(5)，進行下一次循環的計算，得到經過第2次修正后的第j層一階振型斜率改變值C_1j，d^S，M2，不斷循環計算，直到修正后的最小一階振型斜率改變值大于閾值L時循環終止，L為負值，其絕對值等于初始最大一階振型斜率改變值的5％～10％；再利用最終得到的一階振型斜率改變值，進行損傷位置判別：一階振型斜率改變值大于0的層為損傷層；

(7)假設各層分別發生不同程度的損傷，建立相應的單損傷工況數值模型，進行模態分析，獲取結構各種單損傷工況下的一階振型；

(8)比較結構在未損傷工況和各種單損傷工況下的一階振型，計算得到損傷層的一階振型斜率改變量，建立在各種單損傷工況下損傷層一階振型斜率改變量與損傷程度的對應關系；

(9)通過比較修正后的一階振型斜率改變量和數值模擬的各種單損傷工況下的一階振型斜率改變量，插值得到損傷層的損傷程度。