泄流結(jié)構(gòu)水力拍振機理及動態(tài)健康監(jiān)測技術(shù)研究.pdf

1、我國重大水利水電工程的壩高、泄量、泄洪功率均居世界領(lǐng)先水平。由于高速水流、水氣二相流、水流——結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,使得泄流結(jié)構(gòu)在長期泄流荷載作用下極易發(fā)生疲勞或振動破壞。因此,開展水流誘發(fā)結(jié)構(gòu)的振動機理、泄流結(jié)構(gòu)流激振動響應(yīng)的時頻分析、濾波降噪、工作性態(tài)識別以及泄流結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測技術(shù)等領(lǐng)域的研究,對泄流結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全運行具有重要的指導(dǎo)作用。本文主要開展以下三個方面的研究:
　　(一)泄流結(jié)構(gòu)水力拍振機理研究。在總結(jié)分析泄流結(jié)

2、構(gòu)水流荷載特性的基礎(chǔ)上,應(yīng)用時域分析、頻譜分析以及時頻分析方法,研究了沖擊荷載、諧波激勵荷載、寬帶隨機荷載以及白噪聲荷載激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。通過開展泄流結(jié)構(gòu)原型觀測、流激振動系列模型試驗以及有限元計算,分析了水流荷載、泄流結(jié)構(gòu)自身特性以及流激振動響應(yīng)三者之間的關(guān)系,首次提出并解釋了泄流結(jié)構(gòu)的水力拍振現(xiàn)象,總結(jié)了泄流結(jié)構(gòu)流激振動的響應(yīng)機制。(1)建立一系列室內(nèi)流激振動模型試驗,將相關(guān)性分析、譜分析以及時頻分析方法應(yīng)用到試驗數(shù)據(jù)的分析過程

3、中。通過分析不同固有頻率的試件在水流荷載作用下的動態(tài)振動特性,研究了泄流結(jié)構(gòu)在水流荷載作用下的隨機共振形式,提出水力拍振的概念;(2)分析二灘拱壩在泄流荷載作用下,壩身不同部位的振動響應(yīng)機理,解釋響應(yīng)中出現(xiàn)的水力拍振現(xiàn)象以及在此基礎(chǔ)上形成的拍振現(xiàn)象,為高拱壩體型設(shè)計和運行管理提供依據(jù);(3)根據(jù)水力拍振理論和二灘、蜀河、炳靈等水電站的原型觀測分析,明確了水力拍振現(xiàn)象發(fā)生的各種情況,較全面地總結(jié)了泄流結(jié)構(gòu)流激振動響應(yīng)的形成機制。
　

4、　(二)基于時頻分析的泄流結(jié)構(gòu)濾波降噪及工作性態(tài)識別方法研究。針對環(huán)境激勵下的模態(tài)辨識方法要求激勵荷載必須滿足白噪聲的特性、且不能在時頻域同時進行識別的缺點,本文開展了基于時頻分析的泄流結(jié)構(gòu)濾波降噪和工作性態(tài)識別方法研究。(1)根據(jù)HHT時頻分析的特點,研究了泄流結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)中與模態(tài)信息相關(guān)的共振分量的提取方法,直接應(yīng)用共振分量進行工作性態(tài)識別,能夠避免受迫振動分量對識別結(jié)果的影響;(2)通過研究EMD與小波閾值聯(lián)合的濾波降噪方法,提出

5、了含噪信號EMD分解后各分量中噪聲標準差的確定方法,解決了小波閾值計算中噪聲標準差計算難的問題;(3)研究了基于時頻分析的泄流結(jié)構(gòu)工作性態(tài)識別方法,并將該方法應(yīng)用于二灘水電站拱壩和映秀灣水電站攔河閘結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)辨識中,取得了較好的效果。
　　(三)泄流結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測技術(shù)研究。針對現(xiàn)有健康監(jiān)測方法存在的不足,本文開展了泄流結(jié)構(gòu)損傷敏感特征指標以及融合決策方法研究。(1)研究和總結(jié)了基于波形、標準差、時間序列模型、正則化頻率變化率

6、,時頻域指標、坐標模態(tài)準則、模態(tài)振型與頻率、模態(tài)曲率等損傷敏感指標,建立泄流結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測指標體系;(2)研究了基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的決策計算方法,針對D-S證據(jù)理論合成規(guī)則存在的不足,引入Jousselme距離和證據(jù)可信度,改進了D-S證據(jù)理論的組合規(guī)則。泄流激勵下結(jié)構(gòu)的損傷模型試驗結(jié)果表明,文中方法避免了單一損傷指標由于傳感器自身條件、噪聲等因素所引起的誤判斷,有效地降低了錯誤證據(jù)對最終融合結(jié)果的影響,適用于泄流結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測過程中