基于時域響應特征提取與異常檢測的結構損傷診斷方法研究.pdf

1、在航空航天、機械和土木工程等領域中，如果能對重要結構實施有效的健康監(jiān)測，實時評估結構狀況，將能有效保障結構的安全、可靠運行，避免重大事故的發(fā)生。結構損傷診斷技術是結構健康監(jiān)測的主要支撐技術，其研究具有重要的理論意義與實用價值。 基于振動測試的結構損傷診斷方法是目前結構損傷診斷領域研究應用最廣泛的方法之一，它具有不影響結構正常工作，可實現(xiàn)長期或在線監(jiān)測，操作簡單方便等特點。按照損傷識別所需特征量是否依賴結構數(shù)值模型(一般是有限元模

2、型)，基于振動測試的結構損傷診斷方法可分為基于模型的方法和不基于模型的方法兩大類。基于模型的結構損傷診斷方法需要建立結構準確的數(shù)值模型，難以應用于大型復雜結構。不基于模型的結構損傷診斷方法直接從振動響應中提取特征識別損傷，它不需要建立結構數(shù)值模型，便于工程應用。特征提取和模式識別是不基于模型的結構損傷診斷方法的兩個主要環(huán)節(jié)。為了進一步改進和完善不基于模型的結構損傷診斷方法，本文圍繞特征提取和模式識別這兩個主要環(huán)節(jié)，以湖南省交通研究院項目

3、(編號200223)“大型橋梁狀態(tài)在線監(jiān)測技術研究及監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)”為背景，對基于時域響應的結構損傷敏感特征提取和結構異常檢測進行了深入系統(tǒng)地研究，主要研究工作包括： 1、針對頻域特征存在的對結構早期損傷不敏感的局限性，在相空間重構和奇異值分解的基礎上，從結構振動的時域響應序列中提取奇異譜作為損傷特征，提出了一種以奇異譜互熵變化來診斷結構是否發(fā)生損傷的方法。該方法從時域直接提取特征，可以避免時頻轉化時的信息丟失，能夠提高對損傷的敏

4、感度；能通過奇異譜分析對響應信號進行降噪處理，提高方法的抗噪聲干擾能力。以Benchmark結構為對象，數(shù)值仿真驗證了方法的有效性。 2、針對傳統(tǒng)的基于概率統(tǒng)計的異常檢測方法需預先估計數(shù)據(jù)的概率分布，不適于實際應用的局限性，提出了基于人工免疫機制的結構損傷檢測方法。改進了肯定選擇算法，數(shù)值仿真研究了否定選擇算法和肯定選擇算法對損傷識別的檢測率和虛警率，討論了本體匹配半徑和檢測子數(shù)對檢測結果的影響，分析了高斯激勵和非高斯激勵下?lián)p傷

5、檢測的有效性?；谌斯っ庖邫C制的結構損傷檢測方法不需要先驗知識，可以通過調整本體匹配半徑實現(xiàn)在低虛警率條件下達到較高檢測率的目的，無論是否定選擇算法還是肯定選擇算法，其檢測率均明顯高于概率統(tǒng)計方法。 3、針對一般異常檢測方法需要建立學習模型的局限性，提出了基于密度的結構損傷檢測方法。基于密度的結構損傷檢測方法具有無需了解結構響應數(shù)據(jù)的分布知識，無需建立學習模型，并且支持數(shù)據(jù)的動態(tài)更新等優(yōu)點。給出了環(huán)境激勵下基于密度檢測結構損傷的

6、方法及步驟，定義了兩種判斷損傷程度的指標一相對局部異常因子及相對局部稀疏系數(shù)，提出利用損傷前后相對局部異常因子變化率和相對局部稀疏系數(shù)變化率來診斷損傷位置。以Benchmark結構損傷診斷及上海東海大橋船碰橋墩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為例，驗證了所提方法的有效性，并討論了相關參數(shù)對損傷及其位置識別的影響。 4、針對環(huán)境激勵存在激勵能量小、噪聲影響大的缺點，提出了移動載荷作用下基于能量比的橋梁損傷檢測方法。該方法用損傷前后各測點的能量比構成能

7、量比曲線，根據(jù)曲線的局部極大值來檢測損傷。以簡支梁為對象，將勻速行駛的汽車簡化為移動常量力，仿真驗證了所提方法對單點損傷、多點損傷識別的有效性，分析了測量噪聲、常量力、速度、窗長、測點位置及測點數(shù)目對檢測結果的影響。 5、根據(jù)數(shù)字圖像處理中邊緣點的檢測原理，將橋梁損傷位置看作是邊緣點，提出了移動載荷作用下基于邊緣算子的橋梁損傷檢測方法。該方法從測點的振動響應提取小波包能量，以損傷前后小波包能量比作為特征，應用一維邊緣算子計算邊緣