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《浙江大学》 2004年
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基于小波分析的结构损伤识别方法研究

郭健  
【摘要】: 针对结构健康监测系统的实时性和复杂性特点,目前应用较多的一些损伤识别方法具有一定的局限性,难以满足要求。本文以小波分析为工具,从多尺度理论和模式识别的思想出发,提出了多尺度损伤信息分析和多传感器信息融合的损伤识别方法,并结合数值模拟和模型实验对基于小波分析的结构损伤识别的四个步骤进行了较为完整的研究。 从信息获取的角度首次在结构健康监测中提出了多尺度分析理论。对结构健康监测中的几个关键性问题进行了分析,指出目前结构健康监测系统中首要的问题是测试信号的分析处理。基于小波分析提出了结构健康监测中损伤识别的四阶段分析方法,即损伤预警→损伤确认→损伤定位→损伤定量,并给出了流程图。 分析了结构发生损伤时其动力参数的变化特征。应用小波变换把结构动力系统的数学方程在不同尺度上进行了分解,得到了不同尺度上各动力参数的描述,证明了应用小波多尺度分析能得到更多的结构损伤信息。按状态空间方程,编制了MATLAB平台上的结构损伤模拟程序SDSP。通过不同激励荷载下的损伤数值模拟和损伤时域识别,认为针对一定的结构损伤,不同位置的加速度传感器在不同分解尺度上所反应的损伤信息量是不同的;在离激励荷载频带较远的频带尺度上,结构损伤指示更明显。对于基于小波分析的结构健康监测中合理选择采样频率和确定分解尺度数具有理论指导意义。 探讨了结构损伤预警的特点和重要性,提出了一种应用两种小波进行分解和重构的损伤预警方法,并定义了一个多尺度信号损伤奇异点搜寻的指标λ_k,以预警指标阈值μ能有效识别结构是否发生损伤。从Lipschitz指数出发,给出了白噪声和损伤信号的小波系数在时间-尺度相平面上的特点,分析了根据小波系数模极大值在各尺度上的奇异性来进行损伤预警的方法及其抗噪原理。通过在无噪和含噪条件下的连续梁损伤数值实验,研究了小波系数模极大值法和小波多尺度信号分解法进行损伤预警的有效性和抗噪能力。 研究了结构损伤识别中的特征提取和模式分类方法。对小波包节点能量特征提取方法和神经网络模式分类器的构造进行了分析和阐述。小波包变换以其特有的高频分辨率能够实现对结构振动信号的特征提取,可以把时域无限的测试振动信号降维,得到有限个节点能量信号构成的特征指标。通过一个在随机荷载激励下的简单动力系统的数值模拟,对加速度时程信号提取了小波包系数和信号成份两种节点能量特征,对比了两者的差异,认为小波包系数节点能量的特征性更强,且计算效率更高。并基于BP神经网络构造了一个模式分类器,在无噪和含噪条件下,实现了不同损伤率下的损伤识别。 从模式分类和“局部控制、全局参与”的思想出发,提出了耦合神经网络的方法来实现多传感器信息融合的损伤确认、定位及定量。首先以小波包变换提取结构损伤特征,并完成数据层的信息融合;然后构造三个耦合神经网络分别实现不同阶段的损伤识别和局域决策信息融合,以不同样本的训练次序来控制各一级网络对不同区域的映射精度,通过二级网络的训练自动调节具有不同信息熵的区域决策在整体损伤识别中的权值。以一个三层框架结构的实验模型在36种损伤工况下的测试数 节 V摘要 据来验证所提出的方法。从损伤识别的结果来看,对损伤率在7.5%以上的情况, 损伤识别精度较高;对于损伤确认和损伤定位,识别精度较高;而对于损伤程度识 别略有偏差。 面向实时的、多传感器的结构健康监测系统,本文基于小波分析,通过理论分 析、数值仿真、模型实验对结构损伤识别的预警、确认、定位及定量进行了探索性 的研究,为结构健康监测和损伤识别提供了新的思想和方法,也为该方法在实际工 程中的应用提供了有力的支持。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TU317

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前4条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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7 袁波波;基于瞬态动力学的刚性系杆拱桥吊杆损伤识别[D];重庆交通大学;2011年
8 李乐;拱桥损伤识别技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 龙昊鹏;基于弯扭信息的塔式结构损伤位置识别[D];燕山大学;2011年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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8 李果;袁迎曙;耿欧;李富民;;现役结构混凝土内钢筋腐蚀速度监测方法研究[J];四川建筑科学研究;2007年04期
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10 郑少瑛;陈静茹;;基于神经网络在钢筋混凝土施工质量评价中的应用研究[J];四川建筑科学研究;2009年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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5 ;On Vibration Signals Analysis in Bridge Healthy Monitoring System Using Wavelet Transform[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 张佑春;王平;张公永;;基于D-S证据理论和神经网络的信息融合方法及应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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8 王莉;沈捷;;基于减法聚类的模糊神经网络在水处理过程建模中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 魏海霞;爆破地震波作用下建筑结构的动力响应及安全判据研究[D];山东科技大学;2010年
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5 赵永昌;一类时滞静态递归神经网络的动力学行为研究[D];中国海洋大学;2010年
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8 王德才;基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究[D];合肥工业大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 展慧;基于多源信息融合技术的板栗分级检测方法研究[D];华中农业大学;2010年
2 宋家勇;安林煤矿炮放面矿压显现规律及顶煤冒放性预测研究[D];河南理工大学;2010年
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4 李洪琴;基于振动模态分析和BP网络的桥梁损伤识别研究[D];山东科技大学;2010年
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8 赵奇;医学超声图像三维重建算法研究[D];山东科技大学;2010年
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【同被引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前5条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王德才;基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究[D];合肥工业大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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6 陈伟;应用神经网络技术的框架结构节点损伤诊断研究[D];武汉理工大学;2002年
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10 付军;基于模态分析的平面框架裂纹识别[D];武汉理工大学;2002年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 王双庆;李宏生;王寿荣;;MEMS与建筑结构健康监测[J];工业控制计算机;2009年07期
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中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 ;On Vibration Signals Analysis in Bridge Healthy Monitoring System Using Wavelet Transform[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
2 黄健;凡友华;肖家友;高夕超;;基于小波分析和曲率模态的变截面梁损伤识别[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
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6 黄文有;刘泽佳;黄成造;汤立群;刘逸平;罗涛;王敬玮;杨宗胜;;骝岗大桥健康监测系统设计与监测分析[A];计算机技术在工程设计中的应用——第十六届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C];2012年
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8 李宝军;基于BP神经网络的融合参数结构损伤识别研究[J];建设机械技术与管理;2004年09期
9 张开鹏,吴代华,李卓球;结构损伤识别反演方法[J];武汉理工大学学报;2003年10期
10 孙增寿,韩建刚,任伟新;基于小波分析的结构损伤检测研究进展[J];地震工程与工程振动;2005年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杜新光;金先龙;陈向东;丁峻宏;;基于车桥耦合振动响应的双层斜拉桥损伤识别分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 杜爱民;徐文耀;陈耿雄;;磁暴期间Pc5地磁脉动的小波分析[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
3 田延安;王建文;杨莉;;小波技术与神经网络在齿轮诊断中的应用[A];'2006系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2006年
4 陆费东;蒋爱平;;小波分析在控制中的应用及展望[A];第一届中国智能计算大会论文集[C];2007年
5 陆费东;蒋爱平;;小波分析在控制中的应用及展望[A];2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集(上册)[C];2008年
6 王德育;张玉民;韩枫;杨志猛;;宿州市暴雨日的变化特征分析[A];第26届中国气象学会年会气候变化分会场论文集[C];2009年
7 李玮;王汉杰;周红;;小波分析在气象图像压缩中的应用[A];第十三届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2001年
8 侯宏花;陈树越;郭保全;;基于小波分析的SARS胸片图象增强[A];中国生物医学工程学会第六次会员代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2004年
9 徐小顺;张瑞建;;基于动态信号处理的煤粉浓度在线监测系统[A];冶金自动化信息网年会论文集[C];2004年
10 徐小顺;张瑞建;;基于动态信号处理的煤粉浓度在线监测系统[A];全国冶金自动化信息网年会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报通讯员 阳雄 周振彦;李建平:我要让世界颤动一下[N];科技日报;2002年
2 阳雄;李建平:前沿课题敢“弄斧”[N];解放军报;2002年
3 记者 徐斌;重庆紧缺人才招聘会昨在香港举行[N];重庆日报;2005年
4 本报记者 李其碧;自我加压全力以赴拓市场[N];西南电力报;2009年
5 健康时报记者 王志胜;男人39岁开始易心梗[N];健康时报;2008年
6 王瑞水、刁骋;百余专家交流桥梁“把脉”术[N];中国交通报;2005年
7 ;特大桥呼唤健康监测系统[N];中国建设报;2004年
8 姜丽丽;颤振试飞急先锋[N];中国航空报;2005年
9 本报记者 侯季光 苏伟;九五期间我国土木工程科技取得重大进展[N];中华建筑报;2001年
10 本报记者 陈建强;学科建设:南开“211工程”的龙头[N];光明日报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郭健;基于小波分析的结构损伤识别方法研究[D];浙江大学;2004年
2 任宝生;碎屑岩储层建模方法研究[D];西南石油学院;2005年
3 刘育明;动态过程数据的多变量统计监控方法研究[D];浙江大学;2006年
4 陈柳;小波分析和神经网络应用于大气污染预测的研究[D];西安建筑科技大学;2006年
5 程良彦;拱结构的损伤识别方法及损伤结果可视化研究[D];暨南大学;2010年
6 张征平;异步电动机早期故障检测的小波分析方法研究[D];华南理工大学;2002年
7 廖忠;小波网络及其在水轮机调节系统中的应用研究[D];河海大学;2005年
8 陈世国;数字核仪器系统中高斯成形滤波的设计与实现[D];四川大学;2005年
9 李登高;基于小波的多分辨率数字几何造型技术的研究[D];清华大学;2006年
10 佟伟民;股指期货交易中操纵行为识别方法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李大伟;一种基于动力学方法的结构损伤识别方法研究[D];中北大学;2005年
2 冯立芳;小波和神经网络相结合的结构损伤识别方法[D];浙江大学;2006年
3 陈志;基于小波分析的桥梁结构损伤识别研究[D];重庆大学;2010年
4 詹丽;基于小波分析的连续梁损伤识别研究[D];燕山大学;2010年
5 李琦;基于环境激励的刚构—连续组合梁桥的模态分析与损伤识别[D];大连理工大学;2010年
6 张爱丽;模态曲率差值法在拱肋健康监测和损伤识别中的应用研究[D];兰州理工大学;2011年
7 周建荣;钢桁架拱桥结构基于神经网络的损伤识别法[D];重庆大学;2010年
8 邓旭华;基于小波分析和BP神经网络的结构损伤识别方法研究[D];长沙理工大学;2010年
9 王义远;简支梁损伤识别曲率模态方法分析[D];西南交通大学;2010年
10 范小军;梁桥的动力损伤诊断技术研究[D];重庆交通大学;2010年
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