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基于反馈控制与统计分析的结构损伤识别技术研究

王真  
【摘要】: 随着航空、航天、海洋、桥梁和军事装备等领域的重要大型工程结构的不断修建及已建结构的大批老化,从上个世纪70年代开始,无损检测技术的研究受到国内外学术和工程界越来越多的关注,并已进行了一些工程实践探索。其中,基于振动的结构损伤识别技术具有信号便于提取、易于实现自动化等优点,其工程应用前景良好,已成为研究的核心内容之一。然而,随着研究的深入和实际工程应用的需求,许多基于振动的损伤识别方法显露出了一些不足。 本文首先对基于振动的结构损伤识别技术的基本理论和研究方法进行了总结和分析,在此基础上重点对如何提高噪声环境下损伤指标对损伤的灵敏度与采用结构振动的时域响应数据进行损伤识别进行了研究。主要研究工作包括: (1)从理论上证明了反馈控制能够提高频率对刚度的灵敏度。在此基础上,采用基于模态空间控制的反馈控制合理配置系统极点,提高了多自由度耦合系统的特征频率对结构刚度变化的灵敏度。以损伤前后闭环系统特征频率构造损伤识别指标,采用假设检验法判断损伤是否发生。假设检验法能够克服随机噪声对识别准确性的影响,并且由于采用反馈控制提高了频率对损伤的灵敏度,该方法对于噪声环境下较小程度损伤的存在性识别具有一定的优势。 (2)在提高频率对损伤灵敏度的基础上,采用统计模式识别方法进行损伤定位的研究。采用基于模态空间控制的反馈控制法合理配置系统极点;然后以损伤前后闭环系统特征频率构造特征向量;通过矩阵摄动理论,推导了对该特征量进行归一化的方法,最后采用多元统计分析的Mahalanobis距离作为判别函数来识别损伤位置。 (3)提出了一种采用随机载荷作用下的结构时域响应数据进行损伤识别的新方法。其主要原理是建立基于自回归参数的损伤灵敏度矩阵,该矩阵建立了由单元损伤导致的自回归参数的变化与损伤系数变化之间的关系;通过求解损伤系数向量来识别损伤位置和损伤程度。该方法与其它基于时域响应的损伤识别方法相比,其最大优势在于能够仅利用单个传感器的响应信号进行损伤识别,因此对于传感器位置和数量的选择上有较大的灵活性,尤其对于大型的复杂结构如海洋平台结构,该方法能够降低损伤识别的难度和测试成本。 (4)推导了自回归参数对单元刚度损伤系数的灵敏度表达式。提出通过合理配置系统极点能够在一定程度上提高自回归参数对结构刚度变化的灵敏度,从而提高损伤识别正确率的新思路。其基本过程为,建立闭环系统加速度响应的时序模型,以自回归参数建立均值控制图,通过监测自回归参数的统计性变化判断结构是否发生损伤。该方法仅需结构的时域响应数据,并且由于反馈控制使得自回归参数灵敏度的提高,因此对于早期损伤能够及时诊断,适用于结构的健康监测系统。 (5)以一梁结构为实验对象,测量了完好梁和损伤梁的传递函数和模态频率,并分析了损伤前后系统特性的变化。实验验证了采用控制图进行损伤存在性识别的有效性和可行性。 本文将控制理论和统计方法综合运用于结构的损伤识别,从理论和方法上进行了较深入地研究。其研究成果为提高损伤识别方法的抗噪声能力、提高损伤识别指标对损伤的灵敏度以及基于时域响应的损伤识别方法的研究提供了新的研究思路和途径。


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