基于小波分析的梁结构裂缝检测

论文摘要

结构裂纹给结构服役安全构成了严重的威胁,早期的结构损伤识别对于完善管理、减少事故隐患具有重要意义。众所周之,结构发生损伤后势必会对结构动态特性产生影响,将结构固有频率、阻尼、振型等量和结构损伤建立某种联系并通过监测这些量的变化来评估结构的服役状况就是损伤检测的主要内容。过去的40多年内,研究人员依据这一原理发展了许多结构损伤识别方法。近年来,小波时频分析法作为一种既可以保留结构局部特性又不失结构整体的特性的结构损伤检测新方法越来越受到了研究人员的青睐。相关的理论和技术正在不断的发展。为了研究小波方法在结构损伤诊断中的规律,本文分别对梁结构的振型函数小波变换进行裂缝识别和对利用挠度曲线小波变换分析,通过小波系数在空间域上的突变可以清楚的识别出裂纹在悬臂梁上的空间分布,通过Lipschitz指数的大小可对损伤程度进行识别;同时,对母小波基的选择,振型模态的选择进行了深入探讨,并研究了裂缝数量、裂缝位置、截面尺寸、梁长以及结构材料对Lipschitz指数的影响。通过本文的研究,本文作者认为:在小波基的选择方面,消失矩为2的Gaus2小波无论在裂缝位置还是损伤程度的诊断效果上都要比消失矩较高的Gaus3和Gaus4小波好;在振型模态的选择方面,关键是要避免振型函数的小波系数在裂缝位置处太小或者刚好为0,这样会使得裂缝处的小波系数模极大值峰太小或者消失,考虑到一阶振型容易测量而且受噪声影响较小,本文认为可以选一阶振型进行检测,如有需要则再选用高阶振型进行补充;对于Lipschitz指数,其仅随裂缝深度的增加而减小,其受裂缝数量、裂缝位置、梁截面尺寸、梁长以及结构材料的影响很小,可以忽略;在利用挠度曲线进行裂缝损伤识别方面,静态分析时算得的Lipschitz指数和动态分析时算得的Lipschitz指数差别不大,且静载荷力的大小以及作用位置对Lipschitz指数的大小的影响较小,可以忽略。本文结论证实了小波方法在梁结构损伤识别中的有效性和可行性。虽然本文主要以梁结构为例,但本文作者认为本文方法同样适用与其它一维结构,如框架结构、管道结构、拱结构等。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 结构损伤诊断方法
• 1.2.2 小波分析在土木工程中的应用研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 含裂缝梁结构的分析模型与小波奇异性检测原理
• 2.1 含裂缝梁结构柔度矩阵的变化
• 2.2 利用模态位移对悬臂梁进行损伤检测
• 2.2.1 损伤悬臂梁的模型分析
• 2.2.2 小波奇异性检测原理
• 第三章 小波基与模态振型的选择
• 3.1 损伤检测中小波基的选择
• 3.1.1 不同小波在位置识别中的差别
• 3.1.2 不同小波在损伤程度识别中的差别
• 3.2 模态振型的选择
• 本章结论
• 第四章 梁结构的裂缝识别
• 4.1 利用基本模态振型对梁结构裂缝识别
• 4.1.1 算例分析
• 4.2 利用挠度曲线对梁结构裂缝识别
• 4.2.1 含裂缝悬臂梁的静力学分析模型
• 4.2.2 算例分析
• 本章小结
• 第五章 全文总结
• 引用文献
• 附录
• 致谢