基于动力指纹小波分析的结构损伤特征提取与辨识基本问题研究

论文题目: 基于动力指纹小波分析的结构损伤特征提取与辨识基本问题研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水工结构工程

作者: 曹茂森

导师: 任青文

关键词: 动力指纹,小波分析,损伤特征,无损检测,分形,疲劳损伤实验,土木水利工程结构

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 土木水利工程如大坝、河堤、桥梁等,在损伤积聚下一旦发生溃塌,会对国家和人民的生命财产造成极大的损失。对土木水利工程结构进行健康监测是具有重大的学术、经济和社会意义。结构动力无损检测作为土木水利工程结构健康监测的基本形式,正在成为世界范围内的一个研究热点。傅立叶变换本质上的不足使现行的“结构动力学+傅立叶变换”的结构动力无损检测理论框架存在先天缺陷。小波变换从本质上克服了傅立叶变换的不足,具有将上述理论框架提升为“结构动力学+小波变换”结构动力无损检测理论框架的潜质。然而小波变换用于结构动力无损检测还处于初步探索阶段,有许多科学问题亟需解决。本文采用理论分析、数值模拟和物理模型实验相结合的研究方法,对有关于“结构动力学+傅立叶变换”框架提升为“结构动力学+小波变换”框架的5个关键基础性问题进行了研究,包括解决“小波包变换-神经网络”智能损伤检测模式的理论细节问题、创建不受荷载谱影响的动力指纹、提出适合应力波传播无损检测的应力波小波分析理论、利用小波变换消除现有分形损伤检测理论的弊端、在物理模型实验中提出小波域自治性动力无损检测方法。取得的创新性研究成果主要有:(1)建立了小波包子带能量表征损伤的实验依据,研发了系数子带有序排列的快速频率有序小波包算法,提出了小波包时频分析法、小波包时频能量谱分析法,并提出了基于神经网络主成分分析的高维小波损伤特征向量降维方法。实验结果表明,上述成果解决了“小波包变换-神经网络”智能损伤检测模式的若干理论细节问题,使该模式在改进和完善中趋于完备化。(2)建立了频响函数(实、复)曲率、振动传递率(实、复)曲率动力指纹,在此基础上构建了系统的结构传递特性动力指纹理论,还提出了结构传递特性动力指纹(复函数性)的合理小波变换算法。实验结果表明,所建动力指纹不受荷载谱影响、工程适应性强,所建动力指纹理论与小波变换算法为发展实用性强的结构动力无损检测技术提供了理论支撑。(3)提出了解析小波域能量密度谱、实小波域模谱和模极大谱,三谱相辅的应力波连续小波域谱分析理论,并建立了解析Morlet和实Marr小波优势结合的谱分析理论基本实施方法,以及基于Morlet小波扩展特性和改进标准Morlet和Marr的谱分析理论扩展实施方法。所提理论比现有的应力波小波分析理论更适合应力波传播无损检测的工程要求,且所提理论与方法成功用于构建基础介质损伤特征辨识技术路线。(4)针对分形损伤检测理论的弊端,提出了小波与分形优势融合的“小波挖掘损伤信息,分形提取损伤特征”的结构动力无损检测思路。为了实施该思路,提出了频率-时间有序且无抽值采样的小波包变换算法,进而提出了该小波算法与关联维优势融合的结构动力无损检测方法。实验结果表明,所提小波包算法为分形合理地用于结构无损检测创造了良好条件,且所提思路及方法消除了现有分形损伤检测理论的弊端,将其提升到一个新的水平。(5)在小波变换检测钢筋混凝土梁疲劳损伤的实验中,将频域的频响函数、振动传率的概念延伸到小波域,建立了小波域结构传递特性动力指纹:解析小波时频响应谱、解析小波时频传递谱,并针对实验中发现的解析小波时频响应谱中的非线性异常现象,提出了非线性动力学特征小波辨识的自治性动力无损检测方法。所建动力指纹为构建小波域模态分析理论提供了重要支撑,所提方法突破线性范畴进行损伤检测,对非线性特征明显的土木水利工程具有较强适用性。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 选题的背景及意义

1.1.1 土木水利工程结构无损检测是一个国际性研究课题

1.1.2 结构损伤特征的提取与辨识是核心和理论研究热点

1.1.3 小波变换为结构动力无损检测的发展带来契机

1.1.4 论文立题

1.2 文献综述

1.2.1 结构振动无损检测研究现状

1.2.2 应力波传播无损检测研究现状

1.3 问题的提出

1.4 研究方法

1.5 论文结构安排

第2章 动力响应小波包分析提取结构损伤特征基本问题分析

2.1 本章引论

2.2 平面3 自由度系统

2.3 FOURIER 域动力指纹评价与频带能量表征损伤分析

2.3.1 Fourier 域动力指纹综合评价

2.3.2 频带能量表征损伤数值实验分析

2.3.3 Fourier 域频带能量分析的局限性

2.4 小波包理论概述

2.4.1 小波包理论的发展

2.4.2 小波包定义及算法

2.5 改进 FWPA 算法及建立小波包时频分析

2.5.1 FWPA 的改进

2.5.2 FFOWPA 分析及选取有效系数子带

2.5.3 建立FFOWPA 小波包时频分析

2.6 建立小波包时频能量谱方法

2.6.1 由频带能量到子带能量

2.6.2 小波子带能量频谱

2.6.3 小波包子带能量频谱

2.6.4 小波包时频能量谱

2.7 探讨主成分分析构建损伤特征向量

2.7.1 构建损伤特征向量

2.7.2 PCA 降维方法

2.7.3 神经网络PCA 降维方法

2.7.4 损伤特征向量降维示例

2.8 基于 BP 网络弱损伤检测的方法性能数值实验分析

2.8.1 样本集构造

2.8.2 模态域损伤定位特征向量

2.8.3 小波包时频能量谱特征向量

2.8.4 基于神经网络的弱损伤定位分析及评价

2.9 小结

第3章 结构传递特性动力指纹基本分析及损伤特征小波提取

3.1 本章引论

3.2 频响函数、振动传递率基本分析

3.2.1 单自由度系统的频响特性和振动结构传递特性

3.2.2 频响函数

3.2.3 振动传递率

3.3 结构传递特性基本动力指纹表征损伤性能分析

3.3.1 模态参数法损伤检测

3.3.2 频响函数表征损伤性能分析与综合评价

3.3.3 振动传递率表征损伤性能分析

3.4 结构传递特性曲率类动力指纹的建立及性能分析

3.4.1 曲率模态

3.4.2 结构传递特性曲率类动力指纹概念提出

3.4.3 结构传递特性曲率类动力指纹表征损伤性能分析

3.5 建立复函数动力指纹小波变换算法

3.5.1 复函数动力指纹频域小波变换算法

3.5.2 复函数动力指纹的小波包变换算法

3.6 复函数动力指纹小波分析提取损伤特征探讨

3.6.1 尺度关联度方法

3.6.2 小波包时频能量谱方法

3.7 小结

第4章 应力波连续小波域谱分析的基础结构损伤特征辨识

4.1 本章引论

4.2 连续小波变换的工程解释

4.2.1 CWT 的概念

4.2.2 工程振动信号CWT 分析示例

4.3 提出应力波连续小波域谱分析理论

4.3.1 三谱定义

4.3.2 应力波连续小波域谱分析理论

4.4 建立 MORLET 与 MARR 优势结合的谱分析理论基本实施方法

4.4.1 Morlet 与Marr 小波特性分析

4.4.2 谱分析理论基本实施方法

4.5 MORLET 小波扩展特性及谱分析理论扩展实施

4.5.1 双参数Morlet 小波及其扩展特性

4.5.2 谱分析理论扩展实施方法

4.5.3 工程实例

4.6 基于改进小波和小波熵的谱分析理论扩展实施

4.6.1 改进Morlet、Marr 小波

4.6.2 桩基弱损伤特征辨识关键技术

4.6.3 桩基弱损伤检测实例分析

4.6.4 方法性能比较

4.7 WTMM 应力波消噪

4.7.1 信号与噪声的尺度结构特征

4.7.2 建立WTMM 消噪方法

4.7.3 实例分析

4.8 小结

第5章 小波-分形优势融合的度量参数化结构损伤特征提取

5.1 本章引论

5.2 小波-分形优势融合的基础

5.2.1 “小波-分形优势融合”的产生背景

5.2.2 数学基础

5.2.3 功能基础

5.2.4 小波-分形结合方式

5.3 建立频率-时间有序且无抽值采样的小波包变换算法

5.3.1 FOTO-NWPT 算法

5.3.2 算法的特色与优势

5.4 改进的关联维 G-P 算法

5.5 小波-分形优势融合的结构振动弱损伤特征提取方法

5.5.1 噪声对关联维的影响

5.5.2 “损伤关键子波”的建立

5.5.3 实验分析

5.6 小波-分形优势融合的基础结构损伤特征提取方法

5.6.1 采用功率谱法分析地震应力波的分形性质

5.6.2 地震剖面的多尺度分形参数空间

5.6.3 小波-分形优势融合提取基础结构损伤特征实施方法

5.6.4 工程实例

5.7 小结

第6章 小波分析检测钢筋混凝土梁疲劳损伤实验研究

6.1 本章引论

6.2 WFDD-RCB 模型实验

6.2.1 实验目的

6.2.2 实验设计与实施

6.2.3 实验过程

6.3 小波消噪方法：WAVESHRINK(S)

6.3.1 小波消噪优势分析

6.3.2 Waveshrink(s)消噪方法

6.4 频谱分析刻画 RC 梁损伤过程

6.5 频域传递特性动力指纹表征损伤实验分析

6.5.1 基于平台G 的动力指纹表征损伤性能分析

6.5.2 基于平台L 的动力指纹表征损伤性能分析

6.6 小波分析提取单位传递特性函数

6.7 解析小波时频响应谱及其表征损伤性能实验分析

6.7.1 解析小波时频响应谱的建立

6.7.2 Morlet 小波模态分析在损伤检测中的应用

6.7.3 解析小波时频响应谱表征损伤性能分析

6.8 解析小波时频传递谱及其表征损伤性能实验分析

6.8.1 解析小波时频传递谱的建立

6.8.2 解析小波时频传递谱表征损伤性能分析

6.9 小波包时频能量谱构建损伤特征向量剖析

6.10 非线性动力学特征小波辨识的自治性无损检测探析

6.10.1 建立自治性结构振动无损检测方法

6.10.2 揭示非线性程度标度损伤程度的不足

6.11 小结

结论

1 主要成果总结

2 进一步研究的展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢

发布时间: 2008-05-04

参考文献

• [1].工程结构考虑地基—结构动力相互作用影响的地震响应分析[D]. 陶磊.西安理工大学2017

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