發(fā)布時(shí)間：2017-11-15 16:02

  本文關(guān)鍵詞：線性與非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載識(shí)別方法及實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：鑒于荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化和結(jié)構(gòu)運(yùn)營過程中的重要性,必須采用合適的方法準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)受到的外荷載。結(jié)構(gòu)外荷載的測(cè)量分為直接測(cè)量和間接測(cè)量,荷載的直接測(cè)量在一些方面仍然存在很多困難。首先,荷載對(duì)結(jié)構(gòu)作用屬于一種能量傳遞,能量傳遞的介質(zhì)有固體、液體和氣體,荷載傳遞介質(zhì)的多樣性使荷載測(cè)量設(shè)備及測(cè)試方法變復(fù)雜。其次,荷載測(cè)試設(shè)備的工作環(huán)境可能處于酸、堿、鹽、高溫高壓等作用下,這對(duì)荷載測(cè)試設(shè)備的耐久性和可靠性提出更高要求。更重要的是,在很多情況下,荷載位置的不確定、荷載發(fā)生的時(shí)間不確定或荷載的發(fā)生具有很強(qiáng)的偶然性、結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)等,無法對(duì)荷載進(jìn)行直接測(cè)量,而在這些工況下的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性可能更為重要。相對(duì)于荷載的直接測(cè)量,對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測(cè)量困難相對(duì)小或不存在上述困難,因此,通過測(cè)量的響應(yīng)對(duì)荷載進(jìn)行識(shí)別的間接測(cè)量方法或手段愈來愈重要,也得到研究和工程人員愈來愈多的重視。本文首先研究線性結(jié)構(gòu)在相互獨(dú)立荷載作用下的荷載識(shí)別方法,然后研究線性結(jié)構(gòu)在一般荷載作用下的荷載識(shí)別方法,最后對(duì)于非線性結(jié)構(gòu)體系,研究恢復(fù)力為冪次非線性的荷載識(shí)別方法,同時(shí)對(duì)于文中提出的三種荷載識(shí)別方法都設(shè)計(jì)了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)荷載是由振源產(chǎn)生,荷載作為待識(shí)別未知量,雖然其時(shí)程信息完全未知,但如果振源之間無相互聯(lián)系,則荷載與荷載之間在產(chǎn)生的物理過程上是相互獨(dú)立的。針對(duì)外荷載在產(chǎn)生的物理過程上滿足相互獨(dú)立的情況,外荷載的獨(dú)立性作為一種先驗(yàn)信息,提出基于荷載獨(dú)立性的線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的微分方程法。結(jié)構(gòu)受到的外荷載可分解為荷載波形及幅值兩個(gè)變量分別識(shí)別。荷載波形可以表示為荷載分離函數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的卷積,通過計(jì)算荷載波形的互信息來度量荷載波形的獨(dú)立性,以荷載波形互信息最小化為目標(biāo)函數(shù),通過梯度下降算法迭代更新荷載分離函數(shù),使目標(biāo)函數(shù)取得最小值,此時(shí)求得的荷載波形和真實(shí)外荷載波形相同。對(duì)荷載波形按最大值進(jìn)行歸一化處理并將其做為荷載基函數(shù),將結(jié)構(gòu)受到的真實(shí)外荷載表示為荷載基函數(shù)及其組合系數(shù)的乘積。結(jié)構(gòu)響應(yīng)用荷載組合系數(shù)的一階泰勒展開,采用最小二乘法計(jì)算荷載組合系數(shù),從而識(shí)別真實(shí)的外荷載。最后,用空間桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,驗(yàn)證了算法對(duì)諧波荷載、三角波荷載及隨機(jī)荷載均能準(zhǔn)確識(shí)別。(2)針對(duì)一般外荷載不滿足獨(dú)立性條件的情況,即荷載先驗(yàn)信息未知的情況,提出了基于虛功原理的線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的積分方程法。用虛功原理將動(dòng)力學(xué)微分方程轉(zhuǎn)化為等效的積分方程,通過對(duì)等效積分方程分部積分,推導(dǎo)了真實(shí)力在虛位移上做的功和虛力在真實(shí)位移上做的功之間的函數(shù)關(guān)系,用移動(dòng)最小二乘法對(duì)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)、速度響應(yīng)及外荷載進(jìn)行擬合,建立一個(gè)關(guān)于荷載系數(shù)和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)系數(shù)的線性方程組。用優(yōu)化的方法對(duì)線性方程組求解,從而求得結(jié)構(gòu)的外荷載。數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,移動(dòng)最小二乘法能抑制噪聲的影響,減小計(jì)算量;用優(yōu)化的方法求解線性方程組,可以改善解的穩(wěn)定性;對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行加窗處理,可以降低線性方程組維數(shù)、改善計(jì)算效率。(3)數(shù)值模擬沒有考慮理論模型和實(shí)際模型間的差異,為同時(shí)考慮響應(yīng)的測(cè)量噪聲和模型誤差對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了一個(gè)空間桁架模型,對(duì)本文提出的線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的微分方程法(第2章)和線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的積分方程法(第3章)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在荷載類型及測(cè)量噪聲對(duì)識(shí)別精度的影響方面,兩種方法具有共同的特征:從時(shí)域上看,周期連續(xù)可導(dǎo)的荷載識(shí)別效果最好,荷載的不可導(dǎo)點(diǎn)對(duì)識(shí)別精度的影響較大;從頻域上看,低頻荷載和頻譜范圍較窄的荷載識(shí)別效果較好,對(duì)荷載的頻譜范圍可以準(zhǔn)確識(shí)別;兩種方法對(duì)噪聲都有一定的放大作用。除上述共同特征外,本文提出的兩種荷載識(shí)別方法還具有各自不同的特征:線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的微分方程法對(duì)荷載作用時(shí)間不同步時(shí)識(shí)別誤差較大,而線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的積分方程法識(shí)別誤差主要集中在荷載時(shí)程的末端。(4)借鑒代數(shù)拓?fù)渲羞B續(xù)變形的思想,提出了非線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的同倫分析法。用線性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程和非線性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程通過加權(quán)疊加構(gòu)造高階形變方程,以結(jié)構(gòu)計(jì)算響應(yīng)和測(cè)量響應(yīng)的殘差最小化作為優(yōu)化目標(biāo),將殘差按比例分配給一階形變方程,用線性結(jié)構(gòu)的荷載識(shí)別方法識(shí)別荷載增量,并更新外荷載,直至響應(yīng)殘差收斂至設(shè)定的誤差限值。最后,通過數(shù)值算例,用三種不同的地震波激勵(lì)驗(yàn)證了方法的有效性。(5)為驗(yàn)證非線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的同倫分析法(第5章),設(shè)計(jì)了一個(gè)多自由度三次剛度非線性結(jié)構(gòu)。對(duì)于非線性剛度的模擬,本文提出了采用線性彈簧模擬非線性剛度的一種實(shí)驗(yàn)方案。從彈簧的力與變形曲線可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力滿足立方剛度非線性特征。實(shí)驗(yàn)識(shí)別結(jié)果表明,非線性結(jié)構(gòu)荷載識(shí)別的同倫分析方法對(duì)非周期的隨機(jī)激勵(lì)可以比較準(zhǔn)確的識(shí)別出激勵(lì)形狀和激勵(lì)的頻譜范圍;對(duì)周期的連續(xù)可導(dǎo)的諧波激勵(lì)識(shí)別精度非常高;對(duì)周期的連續(xù)的但存在不可導(dǎo)點(diǎn)三角波激勵(lì)識(shí)別精度低,但能準(zhǔn)確識(shí)別激勵(lì)頻率。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O342;O302
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本文編號(hào)：1190364