大跨空间结构模态参数的温度敏感性与应变预警方法研究

论文摘要

结构健康监测技术作为一种有效而重要的工具用来识别结构的损伤、评估结构的整体性与安全性及判断结构的剩余服务寿命,模态参数识别和损伤识别技术是结构健康监测研究的核心内容,但是环境因素影响模态参数的准确性和损伤指标的判断有效性;同时,结构健康监测系统很少用于大跨空间结构,再加上其与一般结构在静力和动力特性方面有着很大的差异,因此研究大跨空间结构模态参数的温度敏感性规律及其安全预警技术具有重要的实际意义。基于此,本文开展如下的研究。从理论分析的角度研究温度对结构模态参数的影响机理。首先得出温度通过改变材料的弹性模量,结构的几何尺寸和结构的内力状态三种方式来影响结构的模态参数;然后以三跨连续梁为说明对象在考虑边界约束改变和不改变两种情况下对该理论进行说明,研究这三种方式对结构模态参数的影响规律,以及每种方式在结构模态参数变化中的影响程度。从数值计算的角度分析大跨空间结构模态参数随温度的变化规律。以国家游泳中心为说明对象,首先基于其有限元模型分析此大跨空间结构的动力特性;然后在结构受整体温度分布的作用下,分别研究温度导致材料弹性模量和结构内力的变化对模态参数的影响规律和影响程度;最后考虑两种局部温度分布工况来研究结构模态参数对局部温度的敏感性规律。从试验研究的角度研究国家游泳中心的模态参数对温度的敏感性规律。首先基于健康监测系统的实测信息,分析结构所受环境荷载的特点与规律;然后分别用FDD和NExT+ERA两种模态参数识别算法进行结构模态参数的辨识;最后分别研究频率的时变规律及其对温度的敏感性规律,以及结构阻尼和振型与温度的变化规律,以此验证数值研究中的结论。提出基于Johnson变换的统计过程控制来进行大跨空间结构的安全预警。以国家游泳中心为例,首先介绍该方法的原理;然后通过模拟不同程度的损伤和突发外激励来验证该预警方法的有效性;最后基于实测应变对该方法的有效性进行试验验证,同时给出该方法的局限性以及需要进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 结构健康监测技术的发展概况
• 1.2.1 基于环境激励模态参数识别技术
• 1.2.2 结构损伤识别技术
• 1.2.3 模态参数的温度敏感性研究
• 1.3 本文研究的内容
• 第2章 温度对结构模态参数的影响原理
• 2.1 引言
• 2.2 理论说明
• 2.3 算例验证
• 2.3.1 工况I
• 2.3.2 工况II
• 2.4 本章小结
• 第3章 结构模态参数温度敏感性数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 实际工程介绍
• 3.3 有限元模型介绍
• 3.3.1 模型信息
• 3.3.2 模态信息
• 3.4 数值研究
• 3.4.1 整体温度分布
• 3.4.2 局部温度分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 结构模态参数温度敏感性试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 传感器子系统简介
• 4.2.1 加速度传感器
• 4.2.2 光纤光栅传感器
• 4.3 数字滤波与频谱分析
• 4.3.1 数字滤波
• 4.3.2 频谱分析
• 4.4 模态参数识别
• 4.4.1 FDD 法
• 4.4.2 NExT＋ERA 法
• 4.4.3 模态参数辨识流程
• 4.4.4 模态参数识别结果
• 4.5 模态参数温度敏感性分析
• 4.5.1 环境因素与振动响应水平
• 4.5.2 模态频率的变化
• 4.5.3 模态阻尼的变化
• 4.5.4 模态振型的变化
• 4.6 本章小结
• 第5章 大跨空间结构应变预警方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于Johnson 变换的统计过程控制
• 5.3 数值验证
• 5.4 实际验证
• 5.4.1 实际分析介绍
• 5.4.2 温度影响剔除
• 5.4.3 统计过程控制
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢