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基于重构相空间的结构损伤检测方法及可视化研究

聂振华  
【摘要】:针对目前结构损伤检测和健康监测遇到的问题,本文从技术上可实施、工程上实用、易观测的角度,提出新的结构损伤检测方法和可视化展示方法。首先介绍本课题的研究意义,并将现阶段损伤检测和健康监测方法进行分类,对各类方法国内外研究现状进行分析和调研。总结出现阶段结构损伤检测和健康监测的研究热点,以及当前现有损伤检测方法在实际应用中存在的问题及挑战。 利用当前应用成熟的多个动力指纹指标对一圆拱结构进行损伤检测,分析了测点个数对检测结果的影响,和环境因素影响下动力指纹方法的鲁棒性,以及实际工程应用的适应性分析;结果表明,当在较少的有限个测点下,模态信息缺失导致识别可靠性和精确性下降,甚至不能检测出结构损伤。而增加噪音影响后,识别结果完全无效,说明了动力指纹方法在工程应用中的不适应性。 因此本文提出基于响应重构相空间的损伤检测方法来解决以上不足。首先介绍相空间和重构相空间的概念,以及重构相空间方法中延迟时间和嵌入维数的选取。将混沌时间序列研究领域的重构相空间方法引入结构损伤检测中,以一维弹簧振子为例,研究了基于重构相空间的损伤检测法的可行性。提出基于重构相空间拓扑结构变化的损伤特征量,用提出的方法对第二章所述的拱结构进行损伤检测并和动力指纹方法作比较。针对提出的方法做了圆拱结构损伤检测数值模拟和实验研究。结果表明,本方法比动力指纹方法要敏感的多,并且在噪音的影响下表现为良好的鲁棒性,证明了本方法的可行性和可靠性。本方法只须单个测点就能计算出该点的损伤特征量,可作为结构整体参量来监测结构损伤的存在和损伤程度。为了证明提出方法的可靠性,做了进一步的大型实验研究,对一6m长的两跨钢筋混凝土板进行损伤检测和健康监测。结果表明,基于重构相空间拓扑结构变化的CPST指标成功地检测出钢筋混凝土板的损伤及损伤程度。并且证明了嵌入维数对检测结果影响较大。 本文接着提出基于非线性杜芬混沌振子输出相空间的最大李雅普诺夫指数法的结构损伤检测法。介绍了本方法的理论依据,以及最大李雅普诺夫指数的计算方法。本方法直接将振动信号输入杜芬混沌检测系统。在单个测点情况下,应用此方法对一简支梁进行损伤检测研究,并与传统动力指纹方法进行比较。结果表明,此方法能够成功识别出结构的损伤。 提出了结构损伤检测多指标分层与信息融合可视化的概念,使结构的损伤信息以可视化的图像展示出来。介绍了可视化方法流程,以及信息融合的方法,将前述结果进行可视化。本方法以颜色的差异来标识损伤信息,并直接反映在原结构上,以便直观显示损伤信息,利于实际工程的应用和推广。


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