基于Hilbert-Huang變換的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究.pdf

1、本文研究了基于Hilbert-Huang變換的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。 結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)是當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程學(xué)科十分活躍的研究領(lǐng)域并有廣闊的工程應(yīng)用前景，相關(guān)的理論和技術(shù)正在不斷發(fā)展。而結(jié)構(gòu)在地震作用下會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，研究隨機(jī)地震作用下結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力響應(yīng)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的重要步驟。基于信號(hào)分析的診斷方法可直接通過分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)來得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。 時(shí)頻分析方法是信號(hào)分析的主要方法之一，以往大多數(shù)時(shí)頻分析方法

2、均是針對(duì)傳統(tǒng)的傅立葉分析進(jìn)行修改后得到的。因此，傅立葉分析所存在的問題，如用諧波分量來表達(dá)信號(hào)中的突變，是一個(gè)時(shí)間區(qū)間上的積分平均?；蛘呤怯蓚鹘y(tǒng)的頻率定義所帶來的問題，如時(shí)間分辨率和頻率分辨率的矛盾，各種時(shí)頻分析方法或多或少都存在，提高某一參數(shù)指標(biāo)的同時(shí)往往以犧牲另一種參數(shù)指標(biāo)為代價(jià)。 近年來提出的希爾伯特－黃變換(Hilbert-Huang Transform，簡(jiǎn)稱HHT)方法是一種新的信號(hào)處理技術(shù)，適合處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)

3、。它由美國(guó)宇航局的Norden E. Huang教授于1998年在經(jīng)典的Hilbert變換基礎(chǔ)上提出。該方法由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡(jiǎn)稱EMD)與Hilbert譜分析(Hilbert Spectral Analysis，簡(jiǎn)稱HAS)兩部分組成。任意的非線性或非平穩(wěn)信號(hào)首先經(jīng)過EMD方法處理后被分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，簡(jiǎn)稱IMF)；然后對(duì)每

4、個(gè)固有模態(tài)函數(shù)分量進(jìn)行Hilbert譜分析得到相應(yīng)的Hilbert譜；最后匯總所有固有模態(tài)函數(shù)分量的Hilbert譜就得到了原始信號(hào)的Hilbert譜。按照這種方法得到的Hilbert譜圖在頻率域－時(shí)間域中來描述原始信號(hào)，具有非常高的時(shí)頻分辨率，從根本上克服了以往基于傅立葉分析的種種信號(hào)處理方法所存在的弊端，而且經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法所得到的固有模態(tài)函數(shù)分量也具有明確的物理意義。 本文首先簡(jiǎn)要介紹了Hilbert-Huang變換方法

5、的具體實(shí)現(xiàn)以及該方法在具體實(shí)施時(shí)所存在的問題，對(duì)目前已有的改進(jìn)方法進(jìn)行了對(duì)比研究，并把該方法與現(xiàn)有的時(shí)頻分析方法——短時(shí)傅立葉變換、小波變換做了簡(jiǎn)單的比較分析。然后把Hilbert-Huang變換方法應(yīng)用于具有雙線性滯回特征的單自由度結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析和具有Bouc-Wen模型的單自由度結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)和諧波激勵(lì)下的響應(yīng)分析，把該方法與帶通濾波結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的識(shí)別，為判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷提供一定的依據(jù)。 然后，采用Hilb

6、ert-Huang變換方法分析多自由度框架結(jié)構(gòu)地震作用下和調(diào)頻調(diào)幅波激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，以三層剪切型框架結(jié)構(gòu)為例，恢復(fù)力模型假定為雙線型，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)由MATLAB數(shù)值仿真求得。分析結(jié)果顯示由于多自由度結(jié)構(gòu)地震激勵(lì)的頻率范圍較寬，導(dǎo)致得到的加速度響應(yīng)的頻率成分復(fù)雜，用Hilbert-Huang變換方法難以直接得到結(jié)構(gòu)地震作用下的非線性時(shí)變特征?？紤]到多自由度結(jié)構(gòu)地震作用下的振動(dòng)響應(yīng)大多以一階振型為主，所以引入等效單自由度來間接分析多自由

7、度結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征。結(jié)果表明，利用等效單自由度結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)卓越頻率可以得到多自由度結(jié)構(gòu)的時(shí)變動(dòng)力特征。 最后，對(duì)典型的非線性系統(tǒng)——Duffing系統(tǒng)進(jìn)行了非線性特征識(shí)別，進(jìn)而對(duì)一根帶裂縫的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行脈沖錘擊動(dòng)力試驗(yàn)，對(duì)測(cè)得的梁跨中加速度響應(yīng)用Hilbert-Huang變換分析，得到該梁的非線性振動(dòng)特征，分析表明該梁的非線性振動(dòng)特征與Duffing系統(tǒng)的振動(dòng)特征相似，近似為三次非線性振動(dòng)。這一結(jié)果為根據(jù)結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力特征