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基于神经网络和在移动车辆下受损桥梁振动分析下
的虚拟损伤识别的现实
熊春宝1·卢华利2·朱劲松1
摘要: 这里介绍的是虚拟损伤检测和振动行为研究的一个实例，它是一个离散的梁式桥梁，其中一个或几个非传播边缘裂缝受到移动车辆的影响。在这个模型中，简单支撑的梁单元被一系列由横向和旋转弹簧连接的刚性杆代替，而惯性的质量和转动力矩可能集中在沿梁的不同点上。这里采用的车型是四自由度两轴半车型，具有轮胎柔性和线性悬挂。根据预测，可以通过改变裂纹位置处的弹簧刚度方程来模拟损伤，这可以包含简单或复杂的损伤。为了简化，损伤在这里由一个开放裂纹表示，并且具有损伤的给定元素的刚度通过断裂力学来计算。离散元素和有限元方法都被用来研究移动车辆中的离散梁模型的振动分析，以确定移动车辆下的振动分析中的模型可行性。此外，还获得了一些动态响应法则。考虑不规则道路剖面，结合车桥耦合振动MATLAB，结合数值算例分析了车辆行驶速度，行驶车辆质量，裂纹位置和裂纹深度对梁式桥梁动力响应的影响，用ANSYS编程。另外，神经网络被用来识别结构的损伤。数字的数值模型预测的结果与连续单元梁的结果相比，支持离散单元梁模型在无损梁和受损梁的模型中的精度。 通过该模拟获得桥梁的状态评估和损伤识别的证据，以获得受到移动车辆损坏的梁结构的振动特性。 反演结果表明，神经网络方法能准确识别结构的受伤部位和受伤面积。
关键词：虚拟现实·振动分析·损伤检测·离散元件梁模型·移动车辆·开裂
Reality of virtual damage identification based on neural networks and vibration analysis of a damaged bridge under a moving vehicle
Chun-bao Xiong1 bull; Hua-li Lu2 bull; Jin-song Zhu1
Abstract Presented here is a reality of virtual damage detection and vibration behaviour study of a discrete beam- like bridge with one or several non-propagating edge cracks subjected to a moving vehicle. In this model, the simply supported beam elements are replaced by a range of rigid bars, which are connected by transverse and rotational springs, while the mass and rotational moment of inertia may be lumped at various points along the beam. The adopted vehicle model here is a four degrees-of-freedom, two axes half-vehicle model with tires flexibility and linear suspen- sions. Damage can be modelled by altering the spring stiff- ness equation at the crack position according to predictions, which allows the inclusion of simple or complex damage. To simplify, damage is represented here by an open crack, and stiffness of a given element with damage is calculated by fracture mechanics. Both the discrete element and finite element methods are used to investigate vibration analysis of a discrete beam model subjected to a moving vehicle to confirm model feasibility in vibration analysis under a moving vehicle. Besides, some dynamic response laws are obtained. Considering an irregular road profile, the effects of the moving vehicle velocity, the moving vehicle mass, the crack location and the crack depth on dynamic response of a beam-like bridge are analysed by a numerical example, combining a vehicle–bridge coupled vibration MATLAB program with ANSYS. In addition, the neural network is used to identify the damage of the structure. Numericalresults of the numerical model predictions, compared with those obtained from the continuous elements beam, support the accuracy of the discrete elements beam model in both cases of undamaged beam and damaged one. The evidence for condition assessment and damage identification of bridge is obtained from this simulation as obtaining the vibrational characteristics of the damaged beam structure subjected to a moving vehicle. And the inversion results show that the neural network method can identify the injury location and injury size of the structure accurately.
Keywords: Virtual reality · Vibration analysis · Damage detection · Discrete elements beam model · Moving vehicle · Open crack
1.引言
移动车辆产生比等效静载荷更高的应力和更大的挠度，因此移动车辆对桥梁结构完整性的影响更为重要。另外，结构中的裂缝缺陷是非常普遍的，甚至是最常见的一种。结构中的裂缝引入了它的局部灵活性并改变了它的动态响应。此外，裂纹最终可能导致系统的灾难性故障，因为它会对整个结构产生全球影响，造成巨大的经济损失。为了避免严重的裂纹损伤，裂缝的早期检测是一个重要的预防重点[1-4]。因此，预防可以基于一个有效和准确的结构检测和分析计算模型[5,6]。
在许多领域，人们越来越有兴趣研究有缺陷的组件和结构中的振动现象[7]。梁模型中引入了裂缝计算用于减小刚度的附加柔性，这通常应用于使用欧拉 - 伯努利连续梁单元的桥梁结构[8,9]。Parhi和Behera[10]引入局部刚度矩阵来展现移动车辆下方梁上的缺陷部分，以调查其振动行为。Fryba [11]撰写了一本书，以展示对具有严重负载条件的移动物体下梁的各种分析。Mahmoud和AbouZaid [12]研究了运动车辆下不同裂纹的简支和悬臂无阻尼Euler-Bernoulli梁的动力学数学模型，表明单个横向裂缝的影响很大。 Friswell和Penny [13]证明，基于梁单元的简单裂缝柔度。模型足以用于依赖于低频振动的结构健康监测。另外，他们比较了不同的方法。与Timoshenko或Euler-Bernoulli梁模型相结合的旋转弹簧被用来表示一些现有方法中的损伤[14,15]。Bilello和Bergman [16]使用旋转弹簧来模拟移动载荷下的损伤梁。
Mofid和Akin [17]应用离散单元法分析运动质量下Euler-Bernoulli梁的振动。另外，他们用这种方法研究了柔性基础上梁的动力学行为。Mofid和Shadnam [18]分析了梁有内部铰链时的响应。 他们将离散单元法应用于制作受荷载和不同边界条件影响的梁。Yavari等人[19]将Mofid的工作扩展到了群众集中的局面。Ziaei-Rad et al。[20]在均匀分布的运动质量下研究了Timoshenko梁。我们可以使用弹簧来考虑弯曲和剪切变形，这可以用于研究损坏和未损坏部分的变形。另外，Ariaei等人[21]开发了离散单元法，然后将其扩展到在各种边界条件下移动荷载下考虑缺陷对梁的动态响应的影响。
在大多数关于梁式桥梁结构中的横向振动的研究中，梁被建模为Euler-Beroulli或Timoshenko连续梁单元。此外，一些研究人员研究了梁下的振动响应运动负载或使用分立元件技术的移动质量。本文以离散形式研究了移动车辆下梁的振动响应。首先，使用与横向和旋转弹簧连接的短刚性块来表示梁。弹簧分别代表剪切和弯曲变形。接下来，通过改变弹簧的刚度来改善裂纹模型。裂纹位置处的弹簧刚度方程可能很容易改变，这是本文模型的优点。另外，弹簧具有旋转惯性和剪切变形，这允许模拟各种疲劳裂纹。最后，通过一个数值例子验证了该模型在移动车辆下的振动分析的适用性。在数值算例中，利用车桥耦合有限元软件ANSYS和MATLAB程序[22-24]研究了裂纹位置和深度，车辆运动速度和质量对梁式桥梁动力响应的影响。损伤识别和桥梁状态评估的证据是通过模拟提供的移动物体下受损梁结构的振动特性。
2.移动车辆下的梁状结构的模型
一个简单支撑和离散形式的梁式桥接受移动车辆如图1所示。梁轴被认为是x轴，垂直方向被认为是y轴。梁的横截面应该沿着x轴是均匀的，并且所有的变形都足够小，以至于可以用于正交坐标系。桥的表面粗糙度被模拟为函数r（x）。在这项研究中，半车型模型与Mulcahy[25]中的模型相同。假设车辆的轮胎和桥面总是紧密接触。
图1.移动车辆下的梁状桥梁的离散模型
2.1桥梁模型
Neild等人[26]发现，短刚性块与横向和旋转弹簧连接可以代表梁，弹簧可以分别代表剪切和弯曲变形.首先，如图2b所示，梁的质量和惯性以集中形式逼近。光束被分成N个块。在这项研究中，对于梁的矩形截面，块n的转动惯量和质量由下式给出：
1p
2p
12
其中mn是块体n的质量，Jn是块体n的转动惯量，是梁的密度，b是梁的宽度，h是深度。同样，ln是由L /（N-1）给出的块的长度，而两个结束块的长度是L / 2（N-1），并且L是束的总长度。
12
另外，由横向和旋转弹簧连接的刚性元件代表柔性杆（图2c）。旋转弹簧接近梁的弯曲变形，并且横向弹簧接近剪切力。梁的相对端旋转和相对端挠曲推导出横向和横向的刚度旋转弹簧，其位置n与分布或集总顺应性相等。 有关该模型的更多细节可以从Neild等人获得资源[26]。横向和旋转弹簧刚度分别由下式表示：
3p
4p
Kn是第n个弹簧的旋转刚度，Vn是第n个弹簧的横向刚度，I是元件的面积二次矩，G是剪切模量，kA是有效剪切面积，E是杨氏模量，l是附加块的长度。本文考虑的是矩形截面梁，其中E / kG = 3。这是Clough和Penzien [27]<!-- 全文共15146字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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