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小波分析在梁/拱结构损伤识别中的应用

程良彦  
【摘要】: 结构在服役过程中由于受长期荷载、疲劳和突发因素的影响会产生不同程度的损伤,当损伤积累到一定程度时有可能导致结构的突发性失效,造成财产的重大损失和人员伤亡。为了保证结构的安全和减少结构的维护成本,有必要发展一种高效、实用的结构损伤识别方法以确定结构是否发生损伤、损伤的位置及程度。 由于结构发生损伤后会对结构动态特性产生影响,将结构固有频率、阻尼、振型等量和结构损伤建立某种联系,并通过监测这些量的变化来评估损伤是一种可行的方法。过去40多年内,研究人员依据这一原理发展了许多结构损伤识别方法。近年来,小波分析作为一种新兴的数字信号处理工具,在空间、频率域都具有表征信号局部特征的能力,能对局部损伤进行很好的识别。 本文将基于振动的结构分析方法和小波分析相结合,用于结构损伤检测。数值模拟得到拱结构的振动响应,对如何利用小波分析进行损伤特征的提取,包括在有噪声干扰的情况下如何提高识别准确度做了初步探索。 本文主要的研究工作如下: 一、概括了土木工程、机械设备、航空航天等领域中损伤检测的研究进展,并总结了基于动力特性的各种损伤检测方法。对基于各种不同参数的损伤检测方法进行了分析和比较。 二、用频率和振型作为损伤识别参数,以梁和拱为例,进行数值模拟。结构出现损伤时,频率和振型出现相应的变化。这些变化可以作为损伤出现、损伤位置和程度的特征参数。 频率容易得到且具有较高精度。通过频率变化可以检测结构中的裂纹。由于结构损伤早期频率变化不明显,所以频率检测可能会失效。 与振型有关的参数(如振型变化量和振型曲率)对结构的早期损伤比较敏感。对小损伤最为敏感的是振型曲率,其次是振型变化量,振型的识别效果较差。振型参数可以对结构的局部损伤进行检测并进行定位。 三、小波变换作为一种新的信号处理方法,可以有效地提取损伤特征并能准确发现裂纹。用连续小波变换对模态信号进行分析,来识别结构中的损伤并进行定位;阐述了多分辨率分析的方法,并对模态信号进行损伤识别。 四、结构的多位置损伤不可避免,文中讨论了多位置损伤时的一些影响因素。模态节点的损伤不能识别,应从多阶模态进行综合判定;含噪信号的不同尺度的小波系数乘积可以去除噪声影响。


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