基于主成分分析的结构损伤识别

论文摘要

结构健康检测系统是土木工程结构的安全保障体系的重要组成部分,而健康监测的关键问题核心之一是结构的损伤识别。损伤识别是定量评估结构状态、预测结构剩余寿命和制定维护和修复方案的基础。一般认为,结构损伤将造成结构刚度的降低进而引起结构振动频率和振型等固有特性的变化,现有基于结构振动测量的结构损伤识别研究大多是从结构的动力响应测量中抽取结构的频率和振型信息或者其他的派生量,并基于这些反映结构本身动态特征的量,通过适当的优化算法来识别反映结构损伤的结构刚度。在本文中,提出了一种利用结构动力响应测量数据,结合主成分分析法和多元控制图的结构损伤识别方法,同时结合LabVIEW实现了远程网络监测。本文的主要研究工作如下：1.提出了基于结构振型主成分分析的损伤识别方法,并通过数值模拟验证。通过有限元分析得到结构在健康和损伤状态下的振型,利用主成分分析法进行坐标变换来凸显振型的变异,识别出结构损伤的存在和位置,并结合Hotelling T2控制图对主成分进行分析,分离异常数据,对结构的损伤信息进行了定量描述,讨论了不同噪声水平的影响。2.提出了基于加速度频响函数和主成分分析的结构损伤识别万法。频响函数易于通过结构的动力试验测试得到并包含了大量的结构动力特性。本文利用主成分分析对频响函数对频响函数进行重构,减少或者消除原始信号中噪声的影响。3.利用重构频响函数和基线频响函数的向量夹角作为损伤指标,并将其应用到多元控制图中识别损伤。利用正态分布检验图检验损伤指标的分布情况,损伤指标呈正态分布时用指数加权平均控制图识别损伤,损伤指标不呈正态分布时采用标准差控制图识别损伤,损伤程度通过损伤指标超过控制图的控制限的点数和损伤指标的统计值得到体现。4.通过实验验证提出方法的可靠性,对一四层框架结构在3种损伤情况下进行了损伤识别,结果表明识别方法有很好的应用性,该方法不需要模态参数且避免了模态提取过程,能直接并且准确的识别结构损伤。5.本文简单的介绍了虚拟仪器以及LabVIEW软件,通过采用LabVIEW的远程面板技术实现数据采集面板的远程发布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 结构损伤识别研究现状
• 1.2.1 基于结构动力测试的损伤识别方法
• 1.2.2 基于计算智能的结构损伤识别方法
• 1.2.3 基于统计方法的损伤识别
• 1.3 结构远程监控
• 1.4 本文研究工作
• 1.4.1 本文的选题思路和主要研究
• 1.4.2 论文的基本组成
• 第2章 基于振型的主成分分析结构损伤识别
• 2.1 引言
• 2.2 主成分分析
• 2.2.1 主成分分析的基本思想
• 2.2.2 主成分分析的算法
• 2.2.3 主成分分析的实际应用
• 2.3 多元统计控制图
• 2.3.1 休哈特控制图的基本原理
• 2统计量'>2.3.2 Hotelling T²统计量
• 2.4 结构损伤识别数值算例
• 2.4.1 四层框架模型及有限元建模
• 2.4.2. 单损伤识别
• 2.4.3. 多损伤识别
• 2.4.4. 加入噪声影响分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于频响函数的主成分分析结构损伤识别
• 3.1 引言
• 3.2 结构动力分析数值方法
• 3.3 频响函数
• 3.4 基于主成分分析重构频响函数以及损伤指标的定义
• 3.4.1 基于主成分分析重构频响函数
• 3.4.2 定义损伤指标识别损伤
• 3.5 多元控制理论
• 3.5.1 正态分布检验
• 3.5.2 指数加权移动平均控制图
• 3.5.3 标准差控制图
• 3.6 数值计算
• 3.6.1 结构模型及损伤工况
• 3.6.2 频响函数及损伤指标
• 3.6.3 多元控制图识别
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于主成分分析的损伤识别的实验验证
• 4.1 引言
• 4.2 结构模型以及振动试验
• 4.2.1 实验模型
• 4.2.2 实验设备
• 4.3 激振器激励下结构的损伤识别
• 4.3.1 基于结构振型的损伤识别
• 4.3.2 基于结构频响函数的损伤识别
• 4.4 基于LabVIEW的远程面板发布
• 4.4.1 LabVIEW和虚拟仪器
• 4.4.2 组建远程网络监测的两种模式
• 4.4.3 信号的产生和测量
• 4.4.4 测试面板的远程发布
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录