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基于Hilbert-Huang变换的结构损伤检测研究

丁麒  
【摘要】: 工程结构的损伤检测能够充分了解结构的损伤状态及承载能力的变化,对减灾防灾具有十分重要的意义。 本文总结了结构损伤检测的研究现状和发展趋势,重点回顾了Hilbert-Huang变换在损伤检测中的应用,在已有研究成果的基础上,针对结构损伤检测的要求,充分利用了Hilbert-Huang变换方法自适应性的特点和时频分析的能力,把这种新兴的信号处理方法由时域向空间域,一维向二维拓展,应用于结构损伤检测。 本文首先详细介绍了Hilbert-Huang变换的基本理论和方法,对经验模式分解方法的算法进行了归纳和总结,阐明了Hilbert谱分析的物理意义,并对经验模式分解中的端点效应处理、正交性和完备性、频率分辨率等问题进行了探讨,编制了相应的计算程序。 根据信号奇异性的定义和特征,分析了Hilbert-Huang变换检测信号奇异性的原理,将总体平均经验模式分解法引入Hilbert-Huang变换,利用其在处理模态混叠现象上的改进,通过时域分解和频域变换使改进后的Hilbert-Huang变换方法成为信号奇异性检测的有效工具,并将其应用于美国土木工程协会的结构健康检测Benchmark模型,识别了其损伤发生的时刻、位置以及程度。 推导了损伤对梁结构和薄板结构模态振型的影响,提出了空间一维和二维Hilbert-Huang变换方法,利用损伤引起的模态奇异性,提出的相应的损伤指标,检测了梁、板的损伤位置与损伤程度,通过损伤梁的模态实验分析,验证了该方法的有效性,探讨了不同模态下损伤指标和损伤程度的关系。 针对裂缝损伤,建立了带裂缝的悬臂梁结构的等效单自由度模型和接触单元有限元模型,分析了自由振动和强迫振动情况下裂缝损伤的张合引起的响应非线性特征,利用Hilbert-Huang变换的方法自适应地将表征损伤非线性特征的信号和由激励频率引起的响应信号分离开,并通过瞬时频率随时间的变化,形象准确地描述了裂缝损伤结构张开闭合的非线性特征。


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