文摘
本文提出了一种改进的模态应变能(MSE)方法确定结构破坏的平板型结构。两步MSE-based损伤定位过程,包括全球步骤和当地的一步,新提出的加强检测结构损伤的位置的准确性。首先,全球一步使用模式形状数据对整个板来定位潜在的受损区域。然后,MSE应用更密集的网格大小对这些地方详细检测损伤。该过程通过分析验证了模型的可行性铝制板各种受损的场景。本研究使用有限元分析获得完整的板的固有频率和振型和破坏状态。一组两个损伤诊断能力指标也新提出的评估提出了过程的精度。诊断结果表明,该方法使用更少的模态数据比原来的MSE方法和准确地识别损伤的位置上不同的边界条件。此外,一分之三的组合模式形状和损伤阈值的最大归一化损伤指数的40%给予最好的损伤定位的结果。
1。介绍
在过去的几十年里,结构健康监测(SHM)扮演了一个至关重要的角色,在民用建筑的安全和可持续性能。许多研究人员都集中关注无损检测技术来识别结构破坏,特别是技术基于结构振动响应。在这些方法中,曲率和模态应变能(MSE)方法成为有效的方法来识别结构损伤梁和板结构。杨(1)提出了一种改进的曲率技术使用的变化模式形状信息来检测损伤桥梁结构。提出的方法的有效性已经证明使用一个数值和实验模型的一个完整和破损的钢板部队受到影响。提出了预测的理论、模式的改变形状表现出很强的相关性与嵌入的损害。钟(2)提出了一个方法使用二维模式形状识别损伤的曲率板状结构。大量的数值模拟和实验模型在钢板显示修改后的方法适用于检测损伤。此外,这种方法只需要头几个模式的形状完好,损坏的板。甚至需要模态信息的受损状态,如果有缺口的平滑技术是使用。
此外,损伤检测方法基于MSE变化也被广泛使用。这些方法使用分数MSE目标结构的损伤和破坏状态的变化来确定赔偿。均方误差值可以直接来源于1 d模式形状曲率梁和2 d模式形状板的曲率。因此,MSE-based方法被认为是一个特定的模式形状curvature-based梁或板结构的方法。模式形状curvature-based方法相比,MSE-based方法最容易受到损害,因为它认为曲率的变化方向。换句话说,模式形状curvature-based方法有效地要发现结构;与此同时MSE-based方法适用于要和平板型结构。
施(3)提出了MSE的变化作为损伤诊断的实用方法。进行了数值模拟和实验测试门户钢架结构获得MSE的敏感性有关的伤害。结果表明,MSE方法可以找到多个损害,但它对噪声很敏感。Alvandi [4]介绍了MSE方法估计损伤在一个简单的支撑梁各种损伤比率。结果证明,在振动属性(例如,模式形状、灵活性和灵活性曲率),MSE变化是最可靠和稳定的指标来检测损伤对噪声信号。然而,损伤识别的能力依赖于使用的阈值水平。
下面的典型研究开发MSE过程检测结构破坏的位置。斯塔布斯[5)开发了一个全球梁结构使用MSE理论模式的形状和刚度矩阵。模态数据的完整和受损状态从一座桥在新墨西哥州送入损伤检测算法。分析结果表明,这种方法能准确定位赔偿。康威尔(6]本土化结构性破坏的MSE方法应用于平板式结构,使用只有一些模式在pre-damage形状数据和post-damage状态。与自然frequency-based方法不同,MSE的方法可以检测小刚度减少10%的地区。此外,该方法验证其有效性在模拟和实验数据。
施(3]介绍了损伤识别技术基于MSE桁架和2 d框架结构的变化。基本上,MSE的元素的值改变了少量而受损的元素。因此,MSE变化比(MSECR)指标是非常重要的定位赔偿。此外,MSECR的计算不需要先验信息结构除了结构的刚度和模式形状矩阵。这种方法被证明是准确识别多个结构破坏的噪音或缺乏测量模式如果使用组合模式。
施(7)提出了一种多准则技术结合模态的灵活性和MSE方法评估多个损害梁和板结构。从模态分析结果,算法获得灵活性和MSE完好和受损结构的变化对结构的健康状况进行评估。描述,该方法提供了灵敏度、可靠性和准确性在多个损伤定位。勒(8]提出的MSE方法检测损伤的盘子,考虑各种边界条件。中心差分法计算均方误差的二阶导数公式。这种近似技术只需要横向位移组件在网格节点和虚拟边界点。建立了损伤指数来确定缺陷的位置和大小板结构。根据获得的结果,提出的方法能正确识别裂缝在不同边界条件下的板结构。
最近,几两步方法结合MSE方法和优化算法提出了检测位置和估计结构破坏的严重程度。Seyedpoor [9)提出了一个两步过程来确定多个损伤的位置和程度。第一步使用MSE-based指数来确定损伤的位置。粒子群优化是用来估计下一步的损害程度。对钢铁三维框架结构,查10)提出了损伤识别方法结合了MSE和混合多目标优化方法。这项技术能够检测结构破坏的严重性。来识别损伤位置和程度的复合材料正交异性层合板,Vo-Duy [11)综合MSE方法与先进的微分进化算法。数据噪声对损伤检测精度的影响也被检查。Torkzadeh [12)开发了一种两步策略使用改进的人工神经网络结合curvature-moment衍生品来检测裂缝弯曲盘子。不同损伤位置保证标准指数基于结构的频率变化向量评估使用训练有素的串级前馈神经网络作为代理模型。结果表明,蝙蝠算法进行适当的人工神经网络模型的代理直接有限元模型大大减少了计算时间的损失程度检测过程中模型更新。Kaveh [13]MSE-based指数和周期性的孤雌生殖过程用于识别损伤部分的2 d框架结构。Dinh-Cong [14)提出了一个两步过程检测板损伤,结合归一化损伤指数基于MSE变化和Jaya启发式。两个目标函数使用模态弹性变化和模式形成的形状改变。Khatir [15)提出了损伤检测方法结合归一化损伤指数基于MSE变化和优化技术,基于教学来确定缺陷的位置和大小,梁结构。赵(16基于MSE)发明了一种损伤定位技术变化比率法和MSE耗散率法来检测潜在的损伤位置。然后,证据理论是用来把这些结果和检测结构损伤的位置。
接下来,Fathnejat [17]建议的替代模型结构在一个两步过程检测结构损伤的空间桁架结构。三个流行与目标函数优化算法基于模态属性改变的均方根偏差向量(蝙蝠算法,粒子群优化和身体碰撞)检查估计损伤程度的能力。结果表明,粒子群优化和均值归一化模态应变能给最好的损伤程度评估的准确性。尼克(18)提出了一种两步损伤诊断程序来确定位置和区段钢梁结构的损害。首先,基于MSE的损伤指数变化是一分之三计算弯曲模式来确定损伤位置。在第二步中,损伤指标作为输入数据来训练人工神经网络预测结构破坏的严重程度。Kaveh [19)提出了一种基于自适应阈值(手枪)来识别基本MSEBI受损的元素不能被检测到的第一步。手枪是一个温和的异常检测方法,利用图论的思想和MSE。在第二步中,水黾算法的一个改进版本建议确定损害赔偿条件不足的模态数据和输入数据噪音。Sadeghi [20.)提出了一种新的技术核心筒复合梁损伤识别的基于模态应变能变化和总体回归神经网络(GRNN)。三元素刚度引起的模态应变能变化比率减少钢铁、混凝土、剪力连接层计算损伤指数来确定结构损伤的复合层。低维数据被作为输入GRNN的各种损伤情况。结果表明,建议的过程可以有效地识别轻微损伤复合梁使用一些模式。风扇(21)提出了一种改进的损伤指数,称为改进指数跨模型的均方误差,基于跨模型的均方误差定位受损的元素。然后引入了同步优化估计受损程度的元素。两步过程消除了要求计算模态参数敏感性和re-analyze特征方程。此外,该方法诊断算法收敛更快,确保损伤识别结果的精度。贝勒哈吉(22)提出了一种两级优化过程基于模态应变能和一个有效的加速粒子群优化算法(EAPSO)来检测损伤的位置和量化程度平板型结构。首先,一个新的使用模态应变能损伤指数计算和统计假设分析技术来定位潜在的破坏网站。接下来,目标函数的EAPSO基于柔度矩阵的变化被用来估计局部受损程度的元素从第一阶段。
MSE方法已经部署在整个结构搜索潜在的受损区域的先前的研究。然而,这个全球过程需要完整的模式形状数据对整个板保证损伤检测结果的准确性。因此,它是非常耗费时间,而且非常复杂,在实践中,因为收购的困难模式形状整个结构密集测量数据点。此外,地板和墙壁等平板型结构组件的单个元素在民用建筑中是必不可少的。结构破坏(例如,裂缝和断层)加载下的结构强度和环境影响削弱各个元素和整个系统。所以这些损失必须识别和控制,以确保系统的结构稳定性和操作。没有研究对结构损伤识别板结构在地方层面使用MSE-based损伤指标。因此,有必要开发一个全球和本地MSE-based板结构损伤识别过程使用尽可能少的模式形状数据。
本研究的主要目的是开发MSE-based损伤识别理论为平板式结构,使用更少的模式形状数据比全球MSE方法但仍确保损伤定位结果的准确性。过程验证了提出的可行性调查板块与各种受损情况。有限元分析是进行铝盘子收购模式形状的数据完整和破坏状态。此外,两个检测能力指标也新提出的损伤定位的评估能力受损区,未损坏的区域,分别和全板。最后,局部流程的有效性在损伤检测结果的精度比全球MSE方法也是研究。根据分析结果,尽管雇佣更少的模式形状数据,建议技术准确地识别损伤地区平板型结构。本研究的结果可以应用于各种工程领域,如土木工程,机械工程,航空航天工程。
2。模态应变能源损伤定位方法
2.1。MSE-based损伤定位方法的理论
MSE方法模式的主要输入数据的形状特征提取振动分析。板结构的模式形状特征的2 d曲率。例如,一个矩形板集中在节点元素分析模态振动,如图1(一)。和代表元素x和y轴的数量;对于一个特定的 元素,其节点索引和坐标如图1 (b)。
(一)
(b)
部分MSE次区域 k模式的形状, ,计算如下(23]: 在哪里的抗弯刚度是次区域吗 ; 是泊松系数板的材料。
整个板的总均方误差值是所有部分均方误差值的总和:
k模式的形状被定义为破坏状态 。同样的,和受损的状态,用符号“∗”,计算(1和2)次区域的分数MSE 是由:
元素的损伤指数 考虑到m模式被定义为:
最后,伤害指数使用均值归一化和标准偏差的危害指数: 作为一个指示器用于检测发生和潜在损失的板的位置。二阶衍生品(1),比如 ,可以使用中心差分近似方法(6]。
2.2。全球MSE-based损伤定位过程
全球MSE-based损伤定位过程,包括七个步骤,提出了由勒(8]。在第一步中,获得的模式形状数据是通过执行目标板的自由振动模态分析。本研究分析了板使用有限元方法获得振动数据未受损和破坏状态。在第二步中,模式形状曲率确定。中央差分法(8)利用虚拟边界和节点横向位移值计算二阶导数。在第三步中,损伤和破坏状态的模态应变能量计算(3和4),分别。(5)在第五阶段计算损伤指数。(6)用于计算归一化损伤指数。如图2(8),规范化的损伤指数图表结合的损伤阈值 ,来定位潜在受损区域的第六步。最后,一组(即两个检测能力指标。,A and B) is newly proposed to assess the capacity of damage localization.
受损区域定位的准确性(指标)决定如下: 在哪里受损区域的预测得到的损伤指数图表截断后,停留在实际受损区域的 。从0到1的指标变化。如果= 0时,程序不能识别任何受损区域。否则,如果一个= 1,它对应于所有受损区域定位的能力。
先前的研究通常只专注于评估受损区域定位结果的准确性。然而,在某些情况下,损伤定位过程受损区域在实际未受损区域的面孔。因此,B是新提出的一项指标来评估的准确性未损坏的区域定位如下 在哪里是僵死的受损区域获得截断后的损伤指数图。B指示值越小,越好未损坏的区域识别能力的过程。
上述参数见图3。更多细节,
2.3。当地MSE-based损伤定位过程
全球的关键缺点MSE-based损伤定位过程模式形状数据的要求对整个盘子。此外,许多模式形状数据密集的网格元素和高度精确的损伤诊断结果至关重要。这些缺点使得全球过程部署在实践中不可行。因此,当地MSE-based损伤定位过程是新提出的增加MSE的可行性方法。在第一步中,全球MSE-based损伤定位过程在整个板上执行一个重要的元素网格大小来定位初步受损区域。使用一个重要元素网格大小,精确的损伤区域不能确定。因此,这一步的主要目的只是定位可能发生破坏的地方,如图4。在第二步中,当地MSE-based损伤定位程序执行第一步中为每个局部受损区域分别与微量元素网格大小来确定详细受损区域。当地MSE-based本地化过程类似于全局。当地的基本优势模态数据的过程只需要收集在一个小得多的网站比整个盘子。当地的过程不需要模态再分析,所以当地受损区域的边界条件并不是必需的。两步MSE-based损伤定位过程呈现在图5。
3所示。数值验证
在这项研究中,一个薄矩形板具有相同的几何和材料特性(23)检查评估的有效性建议的过程。板的大小是246×246×2毫米,如图6。损坏的情况下被认为是一种表面裂纹尺寸39.4×2.5米和刚度降低30%。裂纹的位置见图6。板采用铝材料特性:弹性模量E = 70 GPa,泊松系数υ= 0.33,质量密度ρ= 2735千克/立方米。固有频率和模式形状确定使用模态分析和完全免费的边界条件。
获得的模态数据建模和分析板使用有限元方法与节点元素。第一个目标板的弯曲模式完整和受损状态从模态分析中提取作为损伤定位的输入过程。通过全球和本地程序,输出结果发生,位置和检测能力指标。该过程的损伤识别能力也为各种元素分析网格大小。一分之三的弯曲模式的组合形状是用来计算损伤定位结果。损伤阈值从20%到70%不等的也被认为是在这种情况下。
3.1。模态分析结果
固有频率值的收敛性研究从有限元分析获得不同网格大小的元素上执行。网格大小的1%,2%,4%,5%,10%,和20%的板尺寸检查。表1说明了网格大小对完整的板的固有频率。表2比较收敛的自然频率不同的网格大小的网格大小板尺寸的1%。收敛性研究表明,固有频率使用的网格大小的5%和1%是几乎相同的。因此,网格大小的5%就足以解决模态分析。图7礼物的形状前三个完整板的弯曲模式。
(一)
(b)
(c)
从有限元分析获得的固有频率也比布莱文斯(建议的分析的24胡(进行的),实验的23,数值的通过SAP2000软件。列在表3固有频率的差异是不足取的,0.1% - -2.6%。这个结果证明了本研究中的模态分析结果可信。表4表明,固有频率降低轻0.12% -0.13%的伤害发生。固有频率的变化不敏感的损伤和只是作为一个指示器报警板的损伤发生。
3.2。全球MSE-based损伤定位结果
正如上面提到的,如果一个元素的损伤指数大于所选的损伤阈值,该元素是归类为受损。图8显示了损伤指数图表截断后的损伤阈值, 元素网格为20%、10%和5%,分别。这个数字显示,可以作为当地局部的损害。整个板的损伤检测结果总结了不同网格大小的表5。
(一)
(b)
(c)
表5表明损伤能力指标都依赖于损伤阈值和元素网格大小使用。B是单独使用,如果指标或指标评价结果不客观。例如,在网格大小5%的情况下,指标,代表受损区域的准确性达到100%的最大价值。然而,这并不符合损伤定位的最大效率。指示器B增加阈值时减少使用网格大小的20%,10%,5%相同的网格大小。同样的损伤阈值,B指标明显下降时,筛孔尺寸变小。然而,B仍然是重要的指标在使用网格大小对所有使用阈值5%。因此,当地MSE-based损伤定位手术需要调查提高损伤定位的效率。
3.3。当地MSE-based损伤定位结果
在应用全球MSE-based损伤检测过程对整个板块,初步受损区域本地化是一个矩形小一号,如图9。损伤区域的元素被全球过程的损伤指数图,确定相应的局部受损区域作为一个长方形大20%的x和y方向。当地MSE-based损伤诊断程序是部署在这些领域与小元素网格大小评价识别的效率受损的元素。元素网格大小的5%、4%、2%和1%。损伤定位结果如图10和总结在表6。结果表明,当地MSE-based损伤定位过程甚至可以识别损伤的位置和网格板尺寸的5%。
(一)
(b)
(c)
(d)
列在表6指示器B时减少网格大小却降低了。因此,B值达到0%,完全对应的区域检测当元素网格大小是1%。结果还表明,指标得到了最高价值在使用40%的损伤阈值相同的网格尺寸。同时,B指标时的最小值所使用的损伤阈值是最大的。应该注意的是,受损的元素确定为图表不一定是实际受损的元素。因为这些元素可以被称为等效破坏元素之间的区别的实际大小受损的元素和元素的筛孔尺寸检测。
从上面的结果,提出了适当的两步过程的参数:全球步骤中,大约5%的元素网格大小是用来定位的初始区域损伤。为当地的步骤,使用较小的网格大小来定位更准确的受损区域。一分之三模式形状相结合作为输入全球和当地的步骤来获得更精确和稳定的损伤诊断结果。此外,40%的损伤阈值用于消除一些错误损坏的警报。受损区域的初步确定一个矩形,在x和y方向超过20%受损区域检测到从全球一步的损伤指数图。例如,受损区域确定为图表9.84×4.92毫米是矩形的大小。板的大小是246×246毫米;结果,初步受损区域的尺寸是34.44×29.52毫米。
图11显示本地MSE-based损伤定位过程的准确性显著提高损伤识别相比,全球。例如,尽管全球过程可以探测到受损区域网格大小的5%,它还误认为损伤区域的损伤阈值的994%的速度40%(表5)。同时,使用1%的筛孔尺寸小得多比整个板初步受损区域,当地的程序消除所有的元素在全球一步(表的面孔6)。
4所示。扩展的验证
横向位移的节点板的边缘附近或相当简单,因此发生的损失微不足道地在这些位置影响模式的形状改变。此外,板上的多个同时损失也可能出现不同的损坏率。因此,这是一个相当艰巨的任务来确定multidamages和检测的界限附近的损害。评估全球和本地的适用性和准确性MSE-based损伤定位过程中,一个360×240毫米矩形铝板与两个表面裂缝大小36×2.4毫米。裂缝的刚度退化被认为是10%。图12描绘了两个裂缝的位置,一个长边和一个中跨的盘子。铝的材料属性是一样的以前的问题:弹性模量E = 70 GPa,泊松系数υ= 0.33,质量密度ρ= 2735千克/立方米。在这种情况下,四个边的板是固定的考虑小模态振幅的影响边界的诊断结果。
全球和本地程序部署顺序来确定裂纹的位置。图13显示前三个弯曲模式的形状的板和固定边界条件。图14给出了截断损伤指数图表从全球获得的过程中,使用三个网格大小的20%,10%,5%。图表显示,全球过程甚至可以识别两个裂缝的发生与大网格尺寸(表7)。如图15,两个初步受损区域分开整个板应用当地的过程。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
图16和图17显示两个初步受损区域的损伤指数图表从当地获得MSE过程使用不同网格大小的5%,4%,2%,和1%,分别。损伤检测结果使用本地过程显示在表中8和表9。有人指出B指标1%的筛孔尺寸是最好的损伤位置和损伤阈值的所有使用。的损伤阈值,B指标1%的网格大小达到最低0%的损伤阈值的40%。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结论
摘要MSE-based损伤定位法成功开发了检测板的结构破坏。从分析获得三个引人注目的结论是破坏场景:(1)两步过程准确检测板考虑各种边界条件的赔偿金额。首先,全球MSE部署在整个板使用5%板尺寸的网格大小来定位初步受损区域。第二,当地MSE被应用于这些领域精确确定损失的大小使用的网格大小板尺寸网格大小的1%。(2)当地的MSE不依赖于边界条件的板和横向位移数据初步受损区域外的节点。这些优点的两步MSE-based损伤检测过程。因此,当地的方法使用更少的模态数据,并给出了损伤识别精度比全球。(3)拟议中的MSE-based损伤定位程序可以检测精确位置和裂缝的大小对许多不同的位置。程序使用一分之三的组合模式形状和40%的门槛给最好的损伤定位的结果。此外,该程序能够准确检测损坏和未受损区域。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由国立大学越南胡志明市(VNU-HCM)授予B2020-20-06数量。我们承认时间和设施的支持从胡志明市科技大学(HCMUT) VNU-HCM在这项研究中。