基于粒子滤波的结构参数和荷载同步识别方法

在输入荷载未知的情况下,为解决结构参数和荷载的同步识别问题,将速度、位移、结构参数和输入荷载同时作为状态值构建状态空间方程,选用非线性性能较好的粒子滤波辨识结构参数与荷载.针对利用加速度进行荷载识别时出现的漂移问题,采用梯形积分和零相位高通滤波,通过测试得到加速度计算速度、位移数据,并运用计算值更新粒子滤波求得的速度、位移状态值,从而消除漂移现象.数值算例表明,文中方法能同时识别结构参数和荷载值,与真实值的误差较小,可有效解决识别过程中荷载识别值漂移的问题.     

基于卷积神经网络的荷载大小与位置同步识别

结构健康监测和状态评估中现有大多数研究均需要精确的荷载作用位置或详细的荷载时程,为了同时获得荷载大小和位置,构建并训练了同时具备分类和回归能力的两分支卷积神经网络,建立了融合分类问题和回归问题的损失函数,提取结构响应与荷载大小、结构响应与荷载位置间的映射关系.通过数值简支梁算例和三层试验框架验证了该方法识别结构荷载大小和位置的精度.结果表明：噪声条件下数值模型的荷载识别误差在8%以内,荷载位置识别准确率在95%以上;实际结构的荷载识别误差在18%以内,荷载位置识别准确率为100%.两分支卷积神经网络可以很好地同时识别荷载大小和位置.     

加入正则技巧的非线性反演方法的研究

对非线性参数用梯度正则化方法反演做了进一步研究.借鉴模型信赖域的思想,给出了确定正则因子的具体办法,并建立了算法的迭代过程.以识别四边简支矩形板荷载的作用点为例,阐明了该方法的应用.算例结果表明迭代过程收敛速度较快,精度高,且稳定性好,具有较强的抗噪音能力.     

基于加速度求解速度的直接积分法

提出了一种基于加速度信号直接积分求解速度信号的方法.针对桩基动荷载试验中动态响应的特点，运用动态规划技术导出了利用实测加速度求解速度的直接积分公式，并给出了算例.     

未知顶点输入下的框架结构物理参数识别及地震反演研究

对同时作用有未知顶点集中荷载和未知地震荷载的框架结构的物理参数识别及荷载反演进行了研究。根据地震荷载在框架任意层上的作用都是时域相关的特点,并结合"消去法"和"统计平均法"对结构的物理参数识别的同时,反演出未知顶点集中荷载和地震荷载时程。通过具体工程算例验证该算法的有效性和可靠性;并对有噪声情况下识别进行探讨。从而为结构损伤识别提供有效的方法。     

冲击荷载作用下的路基动力反算

根据半正弦波圆形刚性垂直分布冲击荷载作用下弹性半空间表面竖向位移的动力响应解析解,通过合理提取PFWD实测的压力和位移的时程数据,建立了基于最小二乘准则的路基动力反算数学模型,并采用修正的Gauss-Newton算法提出了相应的反算方法。实际反算表明,将压力时程拟合为半正弦波可获得冲击荷载作用的角速度和不应期2个反算参数,据此通过位移时程曲线拟合可获得动模量和动密度2个路基动力参数。动静反算对比表明,PFWD实测的动、静模量基本一致,而动密度与灌砂法实测干密度和含水率之间具有良好的相关性。因此,PFWD可同时检测路基设计指标（模量）和施工指标（压实度）,实现二者统一评价。     

动载下沥青路面粘弹性体超孔隙水压力的计算

水和荷载作用是沥青路面早期损坏的主要原因之一,为研究水对沥青路面的影响,利用积分变换和传递矩阵的方法推导了FWD动荷载作用下路基路面层状粘弹性体超孔隙水压力轴对称问题的解析解。通过引入F.durbin方法实现Laplace逆变换的数值方法,求解了层状粘弹性体的时域解,并给出了算例。结果证明,该方法概念清晰,公式简洁,易于应用。     

基于Kanai-Tajimi模型的地震作用荷载新型识别方法

目的研究一种识别地震作用荷载的方法,为地震作用荷载的识别与相应结构的动力特性、损伤的识别提供一种新的途径,进一步为结构的安全性、损伤进程和耐久性等研究提供理论参考.方法利用Kanai-Tajimi模型将单位强度白噪声过程模拟为未知的地震作用,并将其作用在结构上,然后根据数值模拟计算得到的结构体系响应作为观测量,采用Kalman滤波对未知荷载状态加以识别.结果最终可以利用结构的加速度响应反演得出地震作用的等效荷载,在人工添加5%观测噪声的条件下,最大误差率为7%左右,而在人工添加10%观测噪声的条件下,最大误差率为8%左右.结论通过算例的验证,说明笔者所采用的方法精度较高,获得了较好的识别效果.     

预张力索杆体系分布式静不定与动不定分析

针对预张力索杆体系,将构件刚度与体系判定相结合,提出了分布式静不定和分布式动不定的计算方法,使体系分析从系统层面向构件层面延伸.该方法在平衡矩阵理论基础上,采用奇异值分解法分别求解相互正交的两类单元变形量和两类节点外荷载模态;在排除整体刚体位移模态后,利用该正交性,求解分布式静不定和动不定.所提出的方法克服了已有方法中的奇异性问题,具有普适性,能广泛地适用于动定及动不定结构;揭示了分布式静不定与结构重要性及结构敏感性间的关系,以及分布式动不定与节点可动性间的关系.通过2组算例,说明了该方法在预张力索杆体系中的应用,并证明了其有效性和正确性.     

基于同步挤压小波变换的结构时变参数识别

提出了采用同步挤压小波变换的方法识别移动车辆荷载作用下桥梁时变参数.首先介绍了基于挤压小波变换的时变参数识别理论方法,随后用两层框架结构数值算例验证提出方法的有效性和精度.设计建立了移动小车通过钢梁的试验模型,建立结构的有限元模型并利用模态试验的结果对模型进行校正.采集车辆通过主梁时的加速度响应和应变响应,由应变数据估计小车不同时刻在梁上的位置,对加速度响应数据采用提出的方法识别结构的瞬时频率,与有限元计算的结果进行对比分析.研究结果表明:提出的方法能有效准确地识别时变结构的瞬时频率,具有一定的抗噪性.     

基于精细积分的桥梁移动荷载识别精度分析

为了识别作用于桥梁结构的移动荷载并对识别的敏感性进行分析,比较各参数对识别结果的影响,首先有效地将桥梁结构振动微分方程转化为精细积分方法的一般形式,进而得出荷载识别精细积分方法的HPD-S格式;基于Matlab仿真技术,重点讨论测量噪声、模态数、车速及采样频率等几个主要参数对识别结果的影响。仿真算例表明,该识别方法对模态数不敏感,但对采样频率敏感性较高,车速与测量噪声是影响荷载识别精度的主要因素。通过选择适当的参数,该方法可以有效地识别桥梁结构的移动荷载,从而为工程应用提供技术指导。     

基于虚功原理索杆张力结构强度优化形状分析

为了提高索杆张力结构的刚度和减小结构受力,在结构杆件中引入作动器,主动调整杆件的长度,改变结构的形状.在荷载态下,将作动器主动工作产生的杆件内力改变量视为结构独立自应力模态的线性组合,根据虚功原理及变形协调关系建立了节点位移向量、杆件内力向量与作动器主动调整量之间的迭代关系.同时,以杆件受力最小为目标,构造了结构形状优化模型并编制了相应的求解程序.算例分析表明:结构所有杆件均布设作动器的效果与仅在索中布设作动器的效果相同,均可以实现既提高结构刚度、又改善结构受力的目的;仅在杆中布设作动器调节杆长来提高结构刚度的代价是增大杆件的内力.通过有限元方法与本文方法对算例求解结果的对比分析,发现两者符合较好,验证了本文方法的正确性.     

基于改进HHT方法的密集模态结构参数识别

针对Hilbert-Huang变换(HHT)方法在识别结构模态参数中存在的经验模式分解(EMD)模态分解能力不足以及固有模式函数(IMF)分量之间不正交这2个问题,分别提出采用波组信号前处理和正交化经验模式分解的方法予以改进,并将此方法称为改进的Hilbert-Huang变换方法.在介绍正交化经验模式分解方法和波组信号前处理基本原理的基础上,给出基于此改进Hilbert-Huang变换方法识别结构模态参数的基本步骤,并通过一个具有密集模态的三自由度结构在脉冲荷载激励下的模态参数识别算例予以验证.研究结果表明:该方法可有效识别密集模态结构的模态参数,且识别效果优于基于HHT的模态参数识别方法的效果.     

基于正交多项式的旋转梁集中动载荷识别研究

针对受集中动载荷旋转弹性梁的识别模型,以广义正交多项式序列作为基函数拟合集中动载,将输入载荷的识别转化为正交多项式系数的求解.为了辨识未知集中力,建立了时域下旋转连续梁的动载荷识别理论.数值算例表明:该识别方法简便有效,精度较高,可运用于实际工程中.     

具有动应力、动位移可靠性约束的结构优化设计

讨论了随机参数结构在微机荷载激励下的优化设计问题,建立了具有动应力、动位移可靠性约束和设计变量上、下限约束的工程结构优化数学模型,并将可靠性约束等束显示化为常规约束,优化中采用复合形法求解。算例表明了文中建立的优化模型和提出的求解方法的正确性与可行性。     

未知外部荷载下结构的在线损伤诊断

结构在线损伤诊断是目前土木工程界关注的热点问题之一.针对该问题进行研究,根据部分观测的结构加速度响应信号,基于扩展卡尔曼预测和优化函数对结构进行在线的物理参数识别及结构刚度突变的追踪,同时利用最小二乘识别未知外部荷载.数值算例表明,本文提出的算法能够较准确地识别系统参数和未知外部荷载,并且判断结构刚度损伤发生的时刻、位置和程度,且具有一定的抗噪性.     

弹性薄板荷载反问题分析

由弹性薄板的Navier解构造出遗传算法中的目标函数,实现对作用在平面薄板上的集中荷载位置识别.通过具体算例,将非线性最小二乘法和遗传算法的结果,分别进行了比较.在多荷载位置的识别过程中,又遇到了目标函数的多极值性问题,非线性最小二乘法很容易陷入局部最优解中,其结果显得不稳定和不可靠;而遗传算法可以稳定和可靠的收敛到精确解,并有一定的抗干扰能力.     

半空间内椭圆夹杂对出平面荷载的Green函数解

采用复变函数法、多极坐标方法解答了弹性半空间中出平面线源荷载对椭圆夹杂的Green函数解,并结合"保角映射"技术构造线源荷载作用下椭圆夹杂激发的散射场和椭圆夹杂内的驻波场.基于边界条件,利用Fourier积分变换推导出一系列求解未知系数的复系数代数方程组,截断有限项以控制精度,求出未知系数,进而得到Green函数解.最后给出了大量算例,对线源荷载作用下不同参数对夹杂周围的动应力集中系数、水平地表位移的分布规律进行讨论,验证了Green函数的精确性.     

基于复小波变换的拉索结构阻尼比识别

采用复小波变换对结构自由响应信号进行分析,推导出信号小波变换的脊线包含结构频率与阻尼比信息;采用动态规划的方法提取小波脊线,用最小二乘拟合方法识别结构固有频率和阻尼比.并对一数值算例信号添加不同噪音进行分析,与对数衰减率法识别结果进行对比,验证了方法的有效性和抗噪性.数值算例结果表明：提出的方法能有效识别结构频率与阻尼比;与对数衰减率法相比,小波方法具有更高的稳定性和抗噪性.将提出的方法用于安装减震器拉索的试验研究,较好地识别出了结构模态频率和阻尼比.     

基于布谷鸟搜索算法的动载荷识别

工程结构经常受到动荷载的作用,对结构产生不利的影响。为了准确有效地获取结构承载状态,提出了基于Newmark-β法的布谷鸟搜索算法识别动载荷。该算法将时间离散成若干个时间步,采用Newmark-β法对离散后系统的运动方程求解,得到动载荷作用下的结构响应;然后将动载荷响应作为优化变量,以计算响应和测量响应之间的差异为目标函数,利用布谷鸟搜索算法最小化目标函数,实现动载荷的反演。为了验证算法的准确性和有效性,以受动态载荷作用的简支桥梁为例进行反演,分别讨论了鸟巢数量、测点位置、测点数量以及测量噪声对反演结果的影响。数值算例表明,该方法可准确有效地反演动载荷。