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基于小波分析的结构健康监测及损伤检测研究

蔡先普  
【摘要】:由于年代的久远和环境的影响,许多工程结构呈现出老化现象,个别的构件出现损伤和断裂。因此,及时、准确地发现这些损伤并采取相应的维修形式是十分必要的,这有助于提高结构的安全性和可靠性,减少维护费用。传统的傅立叶变换只能确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况。小波变换具有在时域和频域局部放大性质。本文在构造一种新的基本小波的基础上,利用小波分析对结构损伤时刻、位置和程度进行了识别研究。论文的主要内容如下: 本文首先概述了结构损伤检测的研究现状,介绍了基于振动测试的的结构损伤检测的国内外研究进展和分类。介绍了小波分析方法用于结构损伤检测的基本理论,包括傅里叶变换和小波变换的基本概念和理论,比较了傅里叶变换和小波变换在结构损伤检测中的特点, 根据结构的动力响应特性,提取结构损伤时的信号,由此特性构造了适合结构损伤分析的指数小波,并验证了该小波具有偶数项的消失矩的特点,其自适应能力很强。从Lipschitz指数出发,通过分析信号小波变换的特征,给出了损伤信号检测的原理。数值计算表明,利用该小波进行结构损伤检测是有效性的,能够对结构损伤进行预警。 从模式识别的角度,采用具有高频分辨率的小波包变换,分析了结构损伤信号换特征。通过计算小波包分解树上不同节点处的系数节点能量和信号成份节能量,能够把时域无限的测试振动信号降维获得有限个节点能量特征指标。利用曲率模态进行损伤检测的原理,提出将小波包曲率能量变化率作为损伤指标。通过对简支梁结构进行数值模拟,验证了采用该损伤指标的有效性。 最后,总结了本课题的研究成果,并对后续的研究工作做了展望。


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