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基于动力指纹小波分析的结构损伤特征提取与辨识基本问题研究

曹茂森  
【摘要】: 土木水利工程如大坝、河堤、桥梁等,在损伤积聚下一旦发生溃塌,会对国家和人民的生命财产造成极大的损失。对土木水利工程结构进行健康监测是具有重大的学术、经济和社会意义。结构动力无损检测作为土木水利工程结构健康监测的基本形式,正在成为世界范围内的一个研究热点。 傅立叶变换本质上的不足使现行的“结构动力学+傅立叶变换”的结构动力无损检测理论框架存在先天缺陷。小波变换从本质上克服了傅立叶变换的不足,具有将上述理论框架提升为“结构动力学+小波变换”结构动力无损检测理论框架的潜质。然而小波变换用于结构动力无损检测还处于初步探索阶段,有许多科学问题亟需解决。 本文采用理论分析、数值模拟和物理模型实验相结合的研究方法,对有关于“结构动力学+傅立叶变换”框架提升为“结构动力学+小波变换”框架的5个关键基础性问题进行了研究,包括解决“小波包变换-神经网络”智能损伤检测模式的理论细节问题、创建不受荷载谱影响的动力指纹、提出适合应力波传播无损检测的应力波小波分析理论、利用小波变换消除现有分形损伤检测理论的弊端、在物理模型实验中提出小波域自治性动力无损检测方法。取得的创新性研究成果主要有: (1)建立了小波包子带能量表征损伤的实验依据,研发了系数子带有序排列的快速频率有序小波包算法,提出了小波包时频分析法、小波包时频能量谱分析法,并提出了基于神经网络主成分分析的高维小波损伤特征向量降维方法。实验结果表明,上述成果解决了“小波包变换-神经网络”智能损伤检测模式的若干理论细节问题,使该模式在改进和完善中趋于完备化。 (2)建立了频响函数(实、复)曲率、振动传递率(实、复)曲率动力指纹,在此基础上构建了系统的结构传递特性动力指纹理论,还提出了结构传递特性动力指纹(复函数性)的合理小波变换算法。实验结果表明,所建动力指纹不受荷载谱影响、工程适应性强,所建动力指纹理论与小波变换算法为发展实用性强的结构动力无损检测技术提供了理论支撑。 (3)提出了解析小波域能量密度谱、实小波域模谱和模极大谱,三谱相辅的应力波连续小波域谱分析理论,并建立了解析Morlet和实Marr小波优势结合的谱分析理论基本实施方法,以及基于Morlet小波扩展特性和改进标准Morlet和Marr的谱分析理论扩展实施方法。所提理论比现有的应力波小波分析理论更适合应力波传播无损检测的工程要求,且所提理论与方法成功用于构建基础介质损伤特征辨识技术路线。 (4)针对分形损伤检测理论的弊端,提出了小波与分形优势融合的“小波挖掘损伤信息,分形提取损伤特征”的结构动力无损检测思路。为了实施该思路,提出了频率-时间有序且无抽值采样的小波包变换算法,进而提出了该小波算法与关联维优势融合的结构动力无损检测方法。实验结果表明,所提小波包算法为分形合理地用于结构无损检测创造了良好条件,且所提思路及方法消除了现有分形损伤检测理论的弊端,将其提升到一个新的水平。 (5)在小波变换检测钢筋混凝土梁疲劳损伤的实验中,将频域的频响函数、振动传率的概念延伸到小波域,建立了小波域结构传递特性动力指纹:解析小波时频响应谱、解析小波时频传递谱,并针对实验中发现的解析小波时频响应谱中的非线性异常现象,提出了非线性动力学特征小波辨识的自治性动力无损检测方法。所建动力指纹为构建小波域模态分析理论提供了重要支撑,所提方法突破线性范畴进行损伤检测,对非线性特征明显的土木水利工程具有较强适用性。


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