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原文传递改进的基于应变的结构空间变形实时重构方法

论文题名：	改进的基于应变的结构空间变形实时重构方法
关键词：	火车轨道;结构变形重构;曲率分解;曲率插值;几何分析
摘要：	工程结构在复杂环境及外部荷载共同作用下，随着服役时间的增长，结构性能和参数可能出现变化，多个工程实践表明这些变化多数不利于结构的正常使用，甚至可能超过规范限定值，进而影响结构的安全使用，因此建立结构的健康监测系统十分必要。由于结构的几何参数变化往往会对结构的正常安全使用产生巨大影响，例如火车轨道的过大变形可导致行驶的列车产生较大振动，从而大幅缩短列车和轨道的使用寿命，甚至可能影响乘客的生命安全，因此对结构的变形监测是结构健康监测的一个重要研究课题。　　本文在对现有结构变形重构方法的研究进行充分调研的基础上，发现基于结构应变的变形重构方法是相对经济和可行的，因此本文提出了两种新型的基于应变的变形重构方法，并通过一系列数值模拟和现场实验进行了验证，本文的主要创新工作如下：　　（1）提出了一种基于曲率分解和插值的结构空间变形实时重构方法。该方法的基本思路是将结构变形曲线的空间曲率向量进行分解，得到结构空间变形曲线在坐标面上的投影曲线的平面曲率；结合最小二乘变分法和拉格朗日乘数法，对平面曲率进行二次积分以得到坐标面上投影曲线，并利用向量相加方法重构结构的空间变形。　　（2）提出了一种基于应变和几何分析的结构空间变形实时重构方法。该方法的基本思路是将变形曲线划分为一定数量单元，并将结构空间曲率向量进行分解得到坐标面上的平面曲率投影向量；利用平面曲率向量得到各个单元变形曲线；最后，依照顺序将各变形段进行拼接，得到坐标面内的投影曲线，进而重构出结构的空间变形。　　（3）为验证所提方法在计算工程结构的静态和动态复杂变形的性能，首先建立了八种火车轨道静态不平顺的有限元模型和三种钢拱桥的刚性吊杆在不同频率简谐荷载作用下的有限元模型，采集了模型目标构件的应变信息并通过提出的两种结构空间变形重构方法进行变形估计，同时与有限元计算的变形值进行对比，检验了两种方法在计算结构复杂变形时的精度；然后，以悬臂梁在四种由低到高不同频率动荷载作用下的振动变形为例，对比了现有的变形重构方法与本文提出的两种方法在重构结构振动变形时的性能。最后，在火车轨道上的静态不平顺现场实验中，利用提取的轨道应变，使用本文提出的两种方法进行轨道变形重构计算，通过与位移计实测的轨道变形进行对比，验证了所提两种方法在真实环境中的可行性和精确性。　　通过有限元模拟和火车轨道不平顺现场实验表明：本文提出的两种基于应变的结构空间变形重构方法可以较为精确地估计结构静态和动态变形，并且在存在一定外部环境干扰（例如噪声）的情况下，这两种方法仍可以保持较高计算精度。
作者：	陈杰生
专业：	结构工程
导师：	安永辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2022