研究生（開(kāi)題書(shū)面）報(bào)告題目：基于譜有限元法的桿系結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè) 指導(dǎo)教師 院（系、所） 研究生院制填表注意事項(xiàng)一、本表適用于攻讀碩士學(xué)位研究生選題報(bào)告、學(xué)術(shù)報(bào)告，攻讀博士學(xué)位研究生文獻(xiàn)綜述、選題報(bào)告、論文中期進(jìn)展報(bào)告、學(xué)術(shù)報(bào)告等。二、以上各報(bào)告內(nèi)容及要求由相關(guān)院（系、所）做具體要求。三、以上各報(bào)告均須存入研究生個(gè)人學(xué)籍檔案。四、本表填寫要求文句通順、內(nèi)容明確、字跡工整。目錄1課題的來(lái)源、目的、意義，國(guó)內(nèi)外概況 41.1課題的來(lái)源、目的、意義 41.2損傷及損傷識(shí)別的定義 51.3國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究現(xiàn)狀 51.3.1局部檢測(cè)方法 51.3.2整體識(shí)別法 61.4基于譜有限元法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究綜述 91.4.1譜有限元法介紹 91.4.2譜有限元法損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀 92本文的主要研究?jī)?nèi)容 113本文解決的關(guān)鍵問(wèn)題 124論文研究進(jìn)展計(jì)劃 125現(xiàn)有條件、人員及主要設(shè)備情況 136經(jīng)費(fèi)概算和來(lái)源 13參考文獻(xiàn) 131課題的來(lái)源、目的、意義，國(guó)內(nèi)外概況1.1課題的來(lái)源、目的、意義我國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)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(duì)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)施服役時(shí)間周期長(zhǎng)，使用環(huán)境惡劣，隨著使用年限的增長(zhǎng)，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(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，損傷將會(huì)迅速擴(kuò)展，很快就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的毀壞，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。另外，隨著改革開(kāi)放三十年的進(jìn)程，許多現(xiàn)有建筑已經(jīng)進(jìn)入到服役期限的中后期，我國(guó)逐漸從大興土木的建設(shè)期轉(zhuǎn)入到舊建筑物維修改造時(shí)期或者說(shuō)建筑結(jié)構(gòu)損傷研究的新時(shí)期。鑒定需要進(jìn)行加固修繕的建筑物，制定出相應(yīng)最優(yōu)維修方案，前提必須是能夠正確地評(píng)估建筑的破損狀態(tài)，并預(yù)測(cè)目標(biāo)年限內(nèi)結(jié)構(gòu)的可靠度。因此對(duì)損傷檢測(cè)這個(gè)亟待解決問(wèn)題的研究就顯得尤為重要，損傷技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用將有著重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和工程實(shí)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)裂紋常常是受到振動(dòng)荷載和沖擊荷載的作用而引起疲勞損傷的累積而產(chǎn)生的。裂紋檢測(cè)一直是工程上的一大難題。雖然己有多種檢測(cè)方法，但大多數(shù)檢測(cè)靜止或非運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。眾所周知:結(jié)構(gòu)上裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，大大影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)可能造成無(wú)法估量的后果。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須在一旦有裂紋出現(xiàn)時(shí)，就能及時(shí)而準(zhǔn)確地檢測(cè)和診斷出來(lái)。正由于上述背景，筆者認(rèn)為本課題的開(kāi)展對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，提高結(jié)構(gòu)安全可靠度、及時(shí)妥善處理結(jié)構(gòu)損傷等是十分必要而又具有重大意義。1.2損傷及損傷識(shí)別的定義結(jié)構(gòu)損傷可以定義為結(jié)構(gòu)整體或其某些部分在材料和幾何性能上的變化，如結(jié)構(gòu)在剛度、強(qiáng)度、邊界及連接條件等方面的蛻變或下降，從而影響結(jié)構(gòu)體系不能達(dá)到預(yù)定的功能。按其影響程度的不同，可分為輕度損傷、中度損傷和嚴(yán)重?fù)p傷。國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)（RILEM）關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)破損分類的推薦草案中，損傷(Damage)是指結(jié)構(gòu)由于外部力學(xué)因素引起的削弱或破損;缺陷(Defect)是指由于設(shè)計(jì)、施工錯(cuò)誤或材料本身的不完善所引起的結(jié)構(gòu)削弱或破損。其中外部力學(xué)因素有荷載作用(包括地震、臺(tái)風(fēng)等)，基礎(chǔ)不均勻沉降以及長(zhǎng)期使用產(chǎn)生的疲勞作用，而自然環(huán)境也是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷的一個(gè)不容忽視的主要原因。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性能進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估，為結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件和使用期間嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為結(jié)構(gòu)的維修、養(yǎng)護(hù)與管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它涉及到土木工程、動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別等多個(gè)研究方向。1.3國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究現(xiàn)狀1.3.1局部檢測(cè)方法局部檢測(cè)方法有超聲波法、聲發(fā)射法、射線法、光學(xué)法、渦流法、磁粉法、泄漏法、紅外線法。其中，超聲波法適用于監(jiān)測(cè)表面與內(nèi)部缺陷的損傷類型，速度快，對(duì)平面缺陷靈敏度高，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件在工作期限內(nèi)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，包括梁、剛架、板、容器、管道等，主要檢驗(yàn)鑄件和焊接件；聲發(fā)射法適用于活動(dòng)性缺陷的損傷類型，對(duì)缺陷的萌生與擴(kuò)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，包括梁、剛架、板、容器、管道、水壩、橋墩等；射線法適用于體積類缺陷，分散細(xì)小缺陷及表面缺陷的損傷類型，直觀，靈敏度高，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，包括梁、剛架、板、容器、管道，主要檢驗(yàn)鑄件和焊接件；光學(xué)法適用于體積類缺陷，表面細(xì)微缺陷的損傷類型，不需用任何耦合劑，能以非接觸方式對(duì)物體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)被測(cè)件要求低，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，尤其在高溫環(huán)境中或難以接近的工程結(jié)構(gòu)；渦流法適用于表面及內(nèi)部缺陷的損傷類型，速度快，直觀，適用于各種金屬結(jié)構(gòu)件；磁粉法適用于表面細(xì)微缺陷的損傷類型，靈敏度，精確度和可靠性均與熒光磁懸液有關(guān)，適用于各種導(dǎo)磁性工程結(jié)構(gòu)件；泄漏法適用于容器，管道裂縫，方法簡(jiǎn)單，但靈敏度受限制，主要用于容器、管道的泄漏位置診斷；紅外線法適用于表面與內(nèi)部缺陷及無(wú)缺陷區(qū)表面溫度變化，容器與管道裂縫的損傷類型，非接觸，可遠(yuǎn)距離操作。檢驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用安全，適用于各種工程結(jié)構(gòu)尤其是高溫，難以接近的工程結(jié)構(gòu)。這些方法已經(jīng)成功地被應(yīng)用于檢查一定部件的裂縫位置、焊縫缺陷、腐蝕磨損、松弛或失穩(wěn)等。近年來(lái)，隨著光纖傳感器、形狀記憶合金等新型智能材料的發(fā)展，又出現(xiàn)了針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)局部損傷檢測(cè)新的方法。如Lamb波法[1],此方法采用光纖干涉?zhèn)鞲衅?，利用Lamb模態(tài)和缺陷的關(guān)系檢測(cè)損傷。但是，局部檢測(cè)方法都往往需要對(duì)結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的部位有先驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，并要求這些部位容易檢測(cè)，檢查的結(jié)果多依賴檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，不能從整體上定量把握結(jié)構(gòu)的性能。從而帶來(lái)的缺點(diǎn)是，難以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體性能的退化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。1.3.2整體識(shí)別法近10余年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在研究適合于結(jié)構(gòu)的整體損傷識(shí)別方法?，F(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)是獲取結(jié)構(gòu)整體信息的一種比較穩(wěn)健的測(cè)試手段，但是工作量大，結(jié)構(gòu)隱蔽部位的信息還是難以獲取的。目前，結(jié)構(gòu)的整體損傷識(shí)別方法主要是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法，這些方法大致可以分為：動(dòng)力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識(shí)別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法和小波分析法。動(dòng)力指紋分析法動(dòng)力指紋分析法的基本思想是尋找與結(jié)果相關(guān)的“指紋”變化。結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷，其結(jié)構(gòu)參數(shù)，如剛度、質(zhì)量、阻尼等會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致相應(yīng)的動(dòng)力指紋變化。這些動(dòng)力指紋的變化可以看作結(jié)構(gòu)損傷的標(biāo)志，借以識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。常用的動(dòng)力指紋有：頻率、模態(tài)振型、模態(tài)曲率、應(yīng)變模態(tài)、柔度、功率譜、頻響函數(shù)、模態(tài)確信準(zhǔn)則（MAC）和坐標(biāo)模態(tài)確信準(zhǔn)則（COMAC）等。模型修正法與系統(tǒng)識(shí)別法這種方法的基本思想是利用動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)（通常為模態(tài)參數(shù)或加速度時(shí)程記錄、頻響函數(shù)等），通過(guò)已知條件優(yōu)化約束，來(lái)不斷修正模型中的剛度分布，利用被檢測(cè)結(jié)構(gòu)中任一觀測(cè)到的局部剛度下降判定損傷的位置和程度[2]。這種方法在劃分和處理子結(jié)構(gòu)的問(wèn)題上具有很多優(yōu)點(diǎn)。但是由于模型誤差、測(cè)量噪聲以及土木工程結(jié)構(gòu)可測(cè)得的動(dòng)力特征對(duì)局部剛度變化不敏感等因素的存在，使得此方程求解存在亞定問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，一方面可以考慮利用動(dòng)力邊界條件進(jìn)行子結(jié)構(gòu)模型修正以減少未知數(shù)，另一方面可以通過(guò)良態(tài)建模、合理劃分子結(jié)構(gòu)以及最優(yōu)布置來(lái)獲取最大信息量的辦法予以解決[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是人腦或自然神經(jīng)系統(tǒng)若干基本特征的抽象與模擬，由大量的神經(jīng)元廣泛互連而成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其處理信息的并行性，自組織性，自學(xué)習(xí)性，聯(lián)想記憶功能力以及很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的反應(yīng)，通過(guò)特征提取，選擇對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)作為輸出，建立損傷訓(xùn)練樣本集。將樣本集輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，建立輸入?yún)?shù)與損傷狀態(tài)之間的映射關(guān)系。將待測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試的動(dòng)力參數(shù)輸入網(wǎng)絡(luò)，得出損傷狀態(tài)信息。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都致力于利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究。孫宗光等[4]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)香港汲水門大橋進(jìn)行了損傷識(shí)別。同濟(jì)大學(xué)李國(guó)強(qiáng)[5]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別研究，并取得了很好效果。Kaminiski等[6]通過(guò)對(duì)固有頻率變化的分析，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋼梁的損傷識(shí)別進(jìn)行了探討，對(duì)所有損傷和未損傷情況測(cè)量了前五階固有頻率，分別應(yīng)用頻率的絕對(duì)變化、頻率的相對(duì)變化和綜合頻率變化訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)損傷位置的識(shí)別進(jìn)行了研究。遺傳算法遺傳算法（GeneticAlgorithms簡(jiǎn)稱GA）是1975年由Holland教授提出的，他根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論中的適者生存，優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則來(lái)搜索下一代中的最優(yōu)個(gè)體，以得到滿足要求的最優(yōu)解[7]。遺傳算法是一類借鑒生物自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)化搜索方法，它將問(wèn)題的求解表示成“染色體”（用計(jì)算機(jī)編程時(shí)，一般都是用二進(jìn)制碼表示），從而構(gòu)成了一個(gè)“染色體”群。將它們置于問(wèn)題的“環(huán)境”中，根據(jù)適者生存的原則，從中選擇適應(yīng)環(huán)境的“染色體”進(jìn)行復(fù)制，即通過(guò)選擇、交叉、變異操作產(chǎn)生新的一代更適應(yīng)環(huán)境的“染色體”群，如此循環(huán)往復(fù)，使群體中最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度和平均適應(yīng)度不斷提高，直至最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度達(dá)到某一限值或最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度和群體的平均適應(yīng)度不再提高，則迭代過(guò)程結(jié)束[8]。將遺傳算法引入損傷評(píng)估的最優(yōu)化方法中，在測(cè)試獲取信息不多的情況下，能迅速判定損傷位置和程度，即使模態(tài)信息部分丟失，遺傳算法尋優(yōu)能力絲毫不受影響，并且遺傳算法只需要計(jì)算可行解的目標(biāo)值而不要求目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)性，不需要梯度信息，并采取多線索的并行搜索方式進(jìn)行優(yōu)化，因而不會(huì)陷入局部最小，容易得到全局最優(yōu)解，且使用方便，魯棒性強(qiáng)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，遺傳算法比較適合土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問(wèn)題。Koh等[9]采用局部搜索的遺傳算法，通過(guò)測(cè)定激勵(lì)和響應(yīng)來(lái)決定結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。易偉建等[10]引入遺傳算法處理試驗(yàn)得到的動(dòng)力信息對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識(shí)別，提出了一些改進(jìn)措施，并應(yīng)用于固端梁、連續(xù)梁和框架等多個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，取得了滿足工程要求的結(jié)果。小波分析法小波分析（WaveletsAnalysis）是數(shù)學(xué)理論中調(diào)和分析技術(shù)發(fā)展的最新成果?？梢钥醋饕粋€(gè)傳統(tǒng)的Fourier變換的擴(kuò)展。小波分析的優(yōu)點(diǎn)在于利用一個(gè)可以伸縮和平移的視窗能夠聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行時(shí)頻域處理，提供多個(gè)水平的細(xì)節(jié)以及對(duì)原始信號(hào)多尺度的近似，既可看到信號(hào)的全貌，又可分析信號(hào)的細(xì)節(jié)，并且可以保留數(shù)據(jù)的瞬時(shí)特性[2]。結(jié)構(gòu)模型在環(huán)境激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的損傷可以從相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波離散后的細(xì)節(jié)突變上檢驗(yàn)出來(lái)，這些突變的位置可以精確地指出損傷發(fā)生的時(shí)刻。Hou等[11]提出了一種基于小波分析方法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，無(wú)論是突然損傷還是積累損傷，損傷的發(fā)生以及發(fā)生的時(shí)刻都可以通過(guò)某些數(shù)據(jù)的小波細(xì)節(jié)檢查出來(lái)。他還利用小波分析理論對(duì)ASCE提出的健康監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)問(wèn)題（HealthMonitoringBenchmarkProblem）中典型的結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，小波方法是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè)的一種很有潛力的方法。孫增壽等[12]提出了用于損傷識(shí)別的小波能量變化率指標(biāo)，并根據(jù)此指標(biāo)提出了用其進(jìn)行損傷識(shí)別的實(shí)施步驟。Kim等[13]采用Gabor小波識(shí)別簡(jiǎn)支梁的裂縫，不僅能識(shí)別出損傷位置，而且也能夠估計(jì)出損傷程度。1.4基于譜有限元法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究綜述1.4.1譜有限元法介紹與傳統(tǒng)的有限單元法不同，譜有限元法能得到精確的解答而被認(rèn)為是一種精確的動(dòng)力分析方法，其根本原因是其基本的單元?jiǎng)偠染仃嚰醋V有限元矩陣是基于精確的且與頻率相關(guān)的形狀函數(shù)而形成的。同時(shí)，由于整體譜剛度矩陣是由譜有限元?jiǎng)偠染仃嚲奂?，而且其聚集過(guò)程與傳統(tǒng)有限單元法完全一致，因而適用于傳統(tǒng)有限元法的程序只需修正單元?jiǎng)偠染仃嚭秃奢d矩陣后就可以適用于譜有限元法[14]。也就是說(shuō)，譜有限元法是譜分析方法和有限單元方法最基本特征的有機(jī)結(jié)合，即充分利用了譜分析方法中的先進(jìn)計(jì)算算法和有限單元法中的單元?jiǎng)澐峙c聚集的優(yōu)點(diǎn)。譜有限元模型最基本的單元是單個(gè)的構(gòu)件，因而與傳統(tǒng)的有限單元法相比，它具有較少的單元數(shù)目，從而提高了計(jì)算效率。因此，依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果修正的譜有限元模型能提供詳細(xì)而又正確的結(jié)構(gòu)特性。1.4.2譜有限元法損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀近年來(lái)譜有限元法廣泛用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問(wèn)題，特別是這種方法基于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如位移（速度、加速度），對(duì)微小損傷很敏感，引起了各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。2002年，Lee和Shin[15]采用譜有限元法對(duì)帶損傷的平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識(shí)別，這種方法來(lái)源于帶損傷板的運(yùn)動(dòng)方程的求解，局部損傷是用損傷分布函數(shù)定義的，在這種方法中，模態(tài)數(shù)據(jù)是在完好的結(jié)構(gòu)中測(cè)量的，而頻響函數(shù)數(shù)據(jù)是在損傷了的結(jié)構(gòu)中測(cè)得的。為了能夠較好的識(shí)別損傷，要有足夠的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和方程，另外采用了一種減少域方法用于搜索和移除未損傷的區(qū)域，從而識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的位置的大小。2003年，Lee[16]將較少域的損傷識(shí)別方法應(yīng)用到梁譜有限元法，對(duì)一個(gè)帶損傷的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了損傷識(shí)別，通過(guò)三個(gè)步驟來(lái)減少域，但是如果要將這種方法應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，頻響函數(shù)數(shù)據(jù)中的噪音水平應(yīng)控制在較低水平。2002年，Palacz和Krawczuk[17]利用譜有限元法(波傳播方法)對(duì)帶裂紋的桿件進(jìn)行了分析，桿的裂縫通過(guò)具有抗彎剛度的彈簧[28]來(lái)模擬，文中給出了帶裂紋桿的譜單元的節(jié)點(diǎn)位移，形函數(shù)，利用三角函數(shù)疊加正弦函數(shù)得到的信號(hào)正確識(shí)別了裂紋的位置。波蘭學(xué)者Kawczuk和Ostachowicz等人利用譜有限元法在結(jié)構(gòu)識(shí)別方面做了深入細(xì)致的工作。1994年，Krawczuk利用譜有限元法對(duì)帶損傷復(fù)合材料梁進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確識(shí)別了損傷的位置[18]。隨后Krawczuk和Palacz等結(jié)合斷裂力學(xué)模型和譜有限元法對(duì)Timoshenko梁和平板進(jìn)行了損傷識(shí)別[19-20]。2008年，Ostachowicz對(duì)采用譜有限元法進(jìn)行損傷識(shí)別的研究進(jìn)行了綜述和總結(jié)，文中給出了帶損傷的桿、帶損傷的Timoshenko梁和伯努利-歐拉梁以及帶損傷的板的譜有限元?jiǎng)偠染仃嘯21]。Kudelaa和Krawczuka等學(xué)者利用基于Lagrange插值多項(xiàng)式的譜有限元法對(duì)桿和梁進(jìn)行了損傷識(shí)別，隨后又將該方法應(yīng)用于復(fù)合材料平板的損傷識(shí)別問(wèn)題[22-23]。Peng和Meng等將Kudelaa等人的方法推廣到三維結(jié)構(gòu)，并成功的對(duì)帶損傷的平板進(jìn)行了損傷識(shí)別[24]。近年來(lái)，Park等結(jié)合譜單元法建模和壓電阻抗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一維簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別[25]。Guo和Sun基于譜單元法對(duì)兩端簡(jiǎn)支桿進(jìn)行了數(shù)值建模，并結(jié)合壓電阻抗法和非線性優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)支桿的損傷定位和定量識(shí)別[26]。金明凡等人基于譜有限元法，提出了采用遺傳算法的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)識(shí)別方法，采用譜單元方法推導(dǎo)帶阻尼梁的傳遞函數(shù)矩陣，傳遞函數(shù)的表示為梁的幾何和物理參數(shù)的超越隱函數(shù)，從而避免了傳統(tǒng)有限元法傳遞函數(shù)模型受離散化的影響[27]。YWang,XQZhu等人基于克隆選擇算法的譜有限元法對(duì)帶裂紋的鋼筋和鋼筋與混凝土之間的脫黏進(jìn)行了損傷識(shí)別，分別給出了帶裂紋的鋼筋譜單元和脫黏譜單元[29]。2本文的主要研究?jī)?nèi)容目前基于譜有限元法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，基本處于對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷識(shí)別的水平上，對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如桁架、框架鮮有文獻(xiàn)可查，因此本文的研究目標(biāo)是基于譜有限元法的框架，桁架裂紋損傷識(shí)別。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：根據(jù)文獻(xiàn)中給出的帶裂紋桿和梁的譜有限元?jiǎng)偠染仃?，推?dǎo)帶裂紋平面桁架和框架的節(jié)點(diǎn)位移形函數(shù)，變換得到譜有限元?jiǎng)偠染仃?，其中裂紋通過(guò)具有抗彎剛度的彈簧來(lái)模擬，彈簧的彈性采用文獻(xiàn)[28]給出的公式。利用譜有限元法分別對(duì)帶裂紋的平面桁架和框架進(jìn)行數(shù)值建模和分析，并與傳統(tǒng)有限元的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證譜有限元模型的正確性。在桁架和框架上選取不同的測(cè)點(diǎn)，利用譜有限元法得到這些測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)，并與有限元法計(jì)算的結(jié)果做對(duì)比,驗(yàn)證譜有限元模型的正確性。本文利用遺傳算法來(lái)識(shí)別框架和桁架裂紋的大小和位置，擬采用測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)建立合適的目標(biāo)函數(shù)。數(shù)值模擬不同噪聲條件下，單一損傷和多損傷工況，并且考慮不同損傷程度的影響，分別用平面桁架和平面框架進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證本文提出的模型的正確性和有效性。3本文解決的關(guān)鍵問(wèn)題基于譜有限元法的框-桁架裂紋損傷識(shí)別研究，擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題有：結(jié)構(gòu)的阻尼是結(jié)構(gòu)的固有特性，現(xiàn)有的帶裂紋的譜有限元，鮮有引進(jìn)阻尼的影響，本文擬在帶裂紋的譜有限元中考慮阻尼的影響，通過(guò)修正帶裂紋譜有限元?jiǎng)偠染仃囍械牟〝?shù)，能十分簡(jiǎn)便的計(jì)算結(jié)構(gòu)考慮了外部粘滯阻尼和內(nèi)部粘彈性阻尼的動(dòng)力響應(yīng)。本文將遺傳算法引入用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，為了將結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別當(dāng)作優(yōu)化問(wèn)題來(lái)考慮，必須定義用于遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)，利用結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)定義目標(biāo)函數(shù)，并研究提高遺傳算法的搜索效率并保證得到問(wèn)題的最優(yōu)解的改進(jìn)方法。推導(dǎo)帶裂紋框架和桁架的整體譜單元?jiǎng)偠染仃嚕⒄_的數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值分析。4論文研究進(jìn)展計(jì)劃2020年7月至2020年11月：文獻(xiàn)閱讀階段。熟悉和了解相關(guān)研究的國(guó)際前沿研究動(dòng)態(tài)，完成相關(guān)研究的文獻(xiàn)調(diào)研，提出欲從事研究的具體課題2020年11月至2021年3月：理論分析階段。進(jìn)一步深入地閱讀文獻(xiàn)，深入理解譜有限元法的理論原理，以及有限元實(shí)現(xiàn)的方法，還有用于搜索損傷位置和大小的遺傳算法的基本原理；2021年4月至2021年9月：數(shù)值計(jì)算階段。建立有限元相關(guān)模型，計(jì)算并分析，根據(jù)結(jié)果優(yōu)化模型，從而得到精確的單元模型；2021年10月至2021年11月：整理并撰寫論文階段。完成數(shù)值模擬數(shù)據(jù)整理、研究?jī)?nèi)容的理論分析與整理工作成果工作，并撰寫論文和修改2021年11月論文答辯。5現(xiàn)有條件、人員及主要設(shè)備情況人員：主要設(shè)備情況：計(jì)算機(jī)一臺(tái)6經(jīng)費(fèi)概算和來(lái)源參考文獻(xiàn)[1]TSJang,J.J.Lee,Astudyonnon-concretemeasurementsoflaser-generatedlambwaveusingfilberopticsagnacinterferometeranditspropagationcharacteristics,NEDforHealthMonitoringandDiagnostics,SanDiego,2002,4704-4730.[2]孫鴻敏,李宏男.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,23(3):93-98.[3]綦寶暉,鄔瑞鋒等.一種桁架結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的柔度陣法[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2001,18(1):42-47.[4]孫宗光,高贊明,倪一清.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁損傷位置識(shí)別[J].工程力學(xué),2004,21(1):42-47.[5]李國(guó)強(qiáng),李杰.工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2002.[6]KaminskiPC.Theapproximatelocationofdamagethroughtheanalysisofnaturalfrequencieswithartificialneuralnetworks,Journalofprocessmechanicalengineering,IMechE,1995:117-123.[7]周金榮,黃道.遺傳算法的改進(jìn)及其應(yīng)用研究[J].控制與決策,1995,10(3):261-264.[8]吳大宏,趙人達(dá).基于遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究初探[J].四川建筑科學(xué)研究,2002,28(3):4-7[9]KohCG,ZhaoSL,LiawCY.Non-destructiveparameteridentificationofstructures,NEDforhealthmonitoringanddiagnostics,SanDiego,2002.[10]易偉建,劉霞.基于遺傳算法的結(jié)構(gòu)損傷診斷研究[J].工程力學(xué),2001,18(2):64-71.[11]ZHou,MNoori,Wavelet-basedapproachforASCEstructuralhealthmonitoringbenchmarkstudies,Proceedingofthe3thinternationalworkshoponstructuralhealthmonitoring,StanfordUniversity,Stanford,[12]孫增壽,韓建剛,任偉新.基于小波分析的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)研究進(jìn)展[J].地震工程與振動(dòng),2005,25(2).[13]KimYY,KimEH,Anewdamagedetectionmethodbasedonawavelettransform,Proceedingoftheinternationalmodalanalysisconference,Texas,SEM,2000.[14]張俊兵,朱宏平,閤東東,王丹生.基于波譜單元法的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2010,7:62-65.[15]LeeU,ShinJ.Astructuraldamageidentificationmethodforplatestructures.EngineeringStructures,2002,24(9)1177–1188.[16]LeeU.Areduced-domainmethodofstructuraldamageidentification:Applicationtoaspectralelementbeammodel.ShockandVibration,2003,10:313–324.[17]PalaczM,KrawczukM.Analysisoflongitudinalwavepropagationinacrackedrodbythespectralelementmethod.ComputersandStructures,2002，80：1809–1816.[18]KrawczukM.Anewfiniteelementformultipledirectionaldamagesinathincylindricalshell.InternationalJournalofsolidsandStructure,2006,43(9):2723-2743.[19]KrawczukM,PalaczM.ThedynamicanalysisofacrackedTimoshenkobeambythespectralelementmethod.JournalofSoundandVibration,2003,264:1139–1153.[20]KrawczukM,PalaczM,OstachowiczW.Wavepropagationinplatestructuresforcrackdetection.FiniteElementsinAnalysisandDesign,2004,40:991–1004.[21]OstachowiczW.Damagedetectionofstructuresusingspectralfiniteelementm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