自然激励下结构健康监测信号处理方法研究

论文摘要

结构健康监测是一个多学科交叉的前沿研究领域,而信号处理与特征提取则是基于振动的结构健康监测的关键技术之一。本文针对航天发射塔架等大型钢制结构基于自然激励的健康监测问题,从随机减量法入手,利用Hilbert-Huang变换（HHT）分析特征信号,并通过固有模式函数（IMF）求出各阶固有模式瞬时频率的变化量（Fimf）作为故障损伤特征,识别正常与故障损伤状态。论文的主要研究工作包括：（1）针对自然环境激励不可测的问题,研究了利用随机减量法去掉响应随机成分,把获得的初始激励下的自由响应作为分析输入的信号预处理方法；并引入环境激励法（NEXT法）,完成信号预处理。（2）在详细介绍HHT方法并验证了其在处理非平稳信号效果的基础上,分析了该方法提取结构振动信号的故障特征的原理与步骤,构建火箭发射塔架实验模型。（3）利用Hilbert谱和边际谱来提取损伤特征信号,比较了信号各阶固有模式函数频率（Fimf）在损伤中各个节点的变化量,识别损伤及其位置。（4）对比分析了RDT-HHT法、NExT法和TFM-HHT法,通过实验验证,其结果表明上述方法具有一定的实用价值,但在本实验中,RDT-HHT法的识别效果要好于另外两种方法。研究和实验结果表明,本文提出并验证的结构健康监测系统的研究方案,对结构健康监测系统构建与实际应用具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 结构健康监测研究现状
• 1.2.2 基于环境激励的结构健康监测的研究现状
• 1.2.3 基于HHT信号处理的研究现状
• 1.3 论文结构安排
• 第二章 结构健康监测技术
• 2.1 结构监测的基本问题与方法
• 2.2 结构无损检测技术与振动检测技术
• 2.2.1 无损检测
• 2.2.2 基于振动的结构状态监测
• 2.3 本章小结
• 第三章 自然激励下结构振动信号分析
• 3.1 结构环境激励
• 3.2 环境激励振动信号分析方法
• 3.2.1 随机减量法
• 3.2.2 NExT法
• 3.3 实验系统构建
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于HHT的结构特征信息提取
• 4.1 引言
• 4.2 HHT的基本方法
• 4.2.1 基本概念
• 4.2.2 EMD方法
• 4.2.3 Hilbert谱与边际谱
• 4.2.4 信号去噪
• 4.3 应用HHT提取塔架结构状态特征
• 4.4 本章小结
• 第五章 结构健康监测信号处理方法研究
• 5.1 正常状态分析
• 5.1.1 RDT-HHT法
• 5.1.2 NExT-HHT法
• 5.1.3 TFM-HHT法
• 5.2 故障状态分析
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 实验主要结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A（攻读学位期间发表的论文）