基于虚拟变形法的结构物理参数识别研究

结构物理参数识别是结构健康监测的重要理论组成部分。鉴于虚拟变形法（VDM）通过引入虚拟变形模拟结构参数变化实现结构快速重分析的优点，本项目拟发展和完善VDM方法，使其能更广泛应用于结构的刚度、质量(移动质量)等物理参数的反问题识别，并提高识别效率和精度。首先，研究子结构VDM方法，理论推导子结构的特征变形、虚拟变形、实际变形及损伤因子之间的关系，分析选取主要虚拟变形模拟结构参数变化，把VDM方法应用到复杂结构的损伤识别中；其次，用多自由度质量-弹簧阻尼模型模拟车辆振动系统，基于VDM建立车-桥耦合系统响应的快速计算方法，继而进行时域内移动车辆参数和结构损伤的识别研究；最后，研究利用VDM方法快速构造结构的频率响应和模态，进行频域内参数识别。采用刚构桥模型试验验证所提出方法的有效性。本项目研究将推动VDM方法在实际工程中的应用，为结构健康监测和安全预警提供科学的理论和方法。

虚拟变形方法（Virtual Distortion Method）是一种结构快速重分析方法，通过引入虚拟变形模拟结构参数变化，在参数优化识别中能够避免结构整体建模分析。本项目发展和完善了虚拟变形方法，基于其进行结构参数识别。首先研究子结构VDM方法，利用子结构的虚拟变形模拟子结构的损伤，推导了子结构的特征变形、虚拟变形、实际变形以及损伤之间的关系；并通过子结构特征变形与结构响应的相关性分析，选取主要虚拟变形来模拟结构损伤，从而忽略对结构响应影响较小的次要虚拟变形，提高计算效率，使方法能更有效地应用于实际复杂结构。通过一个三跨连续梁刚构桥和50层框架模型的数值仿真，以及一个悬臂梁试验验证了方法的有效性。第二，基于移动动态影响矩阵，研究发展了车桥耦合系统的参数识别。利用移动动态影响矩阵能够实现给定参数下车-桥弹性耦合系统的快速结构响应计算，避免了耦合系统分析中时时重构系统参数矩阵，为有效进行反问题的优化识别提供了有利条件。对比分析了路面粗糙程度不同时，结构响应对车辆参数的灵敏度，可用于指导参数的优化识别。在一个三跨连续梁的数值仿真中，利用较少的传感器能精确地识别系统参数，识别精度高，抗噪性能强。该理论方法的试验识别结果误差较大，需要更深一步的研究与发展。第三，把时域内VDM方法拓展到了频域，实现快速构造给定损伤因子下的结构频率响应函数，根据快速构造的频率响应函数，能快速识别结构模态。使VDM方法能采用实际中常见的自由响应和随机响应进行结构的参数识别，有利于大型复杂结构的健康监测。分别通过桁架结构和框架联合结构的数值仿真验证了方法的有效性，并通过悬臂梁试验综合验证了频域内子结构VDM方法的有效性。