基于振動(dòng)測試的梁結(jié)構(gòu)裂紋損傷識(shí)別若干方法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多大型復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)。為了保證結(jié)構(gòu)的正常使用、避免災(zāi)難性突發(fā)事故的發(fā)生、保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)研究日益成為工程領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)重要的研究課題。 近幾十年來出現(xiàn)了很多針對不同的工程結(jié)構(gòu)損傷問題的檢測方法，基于振動(dòng)測試的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究正日益引起研究人員的重視。本論文受國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50335030)和航天支撐技術(shù)基金項(xiàng)目資助，主要研究基于攝動(dòng)法的裂紋裂紋梁結(jié)構(gòu)

2、振動(dòng)模態(tài)特性分析，將HHT變換方法、支持向量機(jī)算法和激光電視全息技術(shù)引入結(jié)構(gòu)裂紋損傷識(shí)別領(lǐng)域中，尋找可靠、實(shí)用且具有較高精度的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。 本論文首先在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國內(nèi)外基于振動(dòng)檢測的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的研究成果，指出了其中存在的一些問題，并介紹了本文的內(nèi)容安排。 本論文的研究工作主要分為四個(gè)部分： 第一部分基于改進(jìn)的裂紋損傷模型，應(yīng)用攝動(dòng)法研究了裂紋梁的振動(dòng)模態(tài)變化特性。 將結(jié)構(gòu)

3、裂紋損傷以δ函數(shù)表示，提出了改進(jìn)梁結(jié)構(gòu)裂紋損傷模型；建立了一階、二階攝動(dòng)表示的裂紋梁振動(dòng)特征方程，推導(dǎo)出了裂紋簡支梁特征值和模態(tài)振型的一階、二階攝動(dòng)解析表達(dá)式，并進(jìn)一步提出了損傷Euler-Bernoulli梁振動(dòng)模態(tài)的一階、二階攝動(dòng)解析表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了損傷結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征方程攝動(dòng)法計(jì)算的一般表達(dá)式，為定性和定量研究損傷對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的影響提供了理論基礎(chǔ)。以簡支梁作為數(shù)值算例，討論了不同損傷條件下簡支梁模態(tài)參數(shù)的變化情況，結(jié)果表

4、明簡支梁的固有頻率和模態(tài)振型的變化與損傷位置和程度有直接的關(guān)系，而曲率模態(tài)振型對于結(jié)構(gòu)損傷的敏感度明顯優(yōu)于位移振型。并與有關(guān)文獻(xiàn)中損傷懸臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了基于改進(jìn)裂紋損傷模型的攝動(dòng)法計(jì)算裂紋梁頻率的可靠性。 本文第二部分將HHT變換方法引入基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信號的裂紋損傷檢測中。 首先推導(dǎo)出基于攝動(dòng)法的裂紋梁強(qiáng)迫響應(yīng)方程，并介紹了HHT變換的基本原理。HHT方法在處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號方面有很大的優(yōu)勢，但在信號分解過

5、程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偽IMF分量和多成分分量混淆的情況。為了提高HHT方法處理信號的精度，提出了基于小波分析和HHT變換的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法：首先通過小波包分解響應(yīng)信號，然后對分解信號應(yīng)用HHT變換，并剔除偽IMF分量；最后通過比較IMF分量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)振幅來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。簡支梁的仿真計(jì)算和Benchmark結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明該方法對損傷檢測是比較有效的。 本文第三部分探討了基于支持向量機(jī)算法的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法。

6、 支持向量機(jī)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過尋求結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化來實(shí)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)最小化，在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問題中表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢。為了提高損傷識(shí)別精度，本文引入分類概率計(jì)算，提出了基于支持向量機(jī)算法的結(jié)構(gòu)損傷分步識(shí)別方法：首先確定結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)損傷的位置，并根據(jù)分類概率分布重新構(gòu)造訓(xùn)練樣本，然后使用支持向量機(jī)回歸算法計(jì)算精確的損傷位置；按照同樣步驟確定損傷程度。通過對懸臂梁的數(shù)值仿真計(jì)算和簡支梁的損傷識(shí)別對比研究，

7、結(jié)果表明這一方法可以減少計(jì)算的復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)工作量，從而節(jié)約損傷識(shí)別網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)時(shí)間，提高識(shí)別精度。 本文第四部分對懸臂梁和液晶面板的損傷識(shí)別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 通過與懸臂梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)基于改進(jìn)損傷模型攝動(dòng)法的計(jì)算結(jié)果反映了損傷懸臂梁的頻率變化規(guī)律，但在發(fā)生較大損傷時(shí)該方法計(jì)算精度還需要進(jìn)一步提高。通過分析損傷前后懸臂梁的響應(yīng)信號，發(fā)現(xiàn)基于小波分析和HHT變換的損傷檢測方法對于懸臂梁損傷檢測還是比較有效的。在添加隨機(jī)誤

8、差的情況下，基于支持向量機(jī)算法的結(jié)構(gòu)損傷分步識(shí)別方法能夠較好的識(shí)別出懸臂梁裂紋的位置和深度。 在對液晶面板的損傷檢測中，為了提高散斑干涉條紋的處理精度，引入支持向量機(jī)算法對散斑干涉條紋圖像進(jìn)行分類，提出了基于激光電視全息技術(shù)和支持向量機(jī)的損傷識(shí)別技術(shù)。液晶面板的裂紋損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效提高損傷識(shí)別精度，簡化損傷識(shí)別過程，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷判斷智能化。 最后，對本論文的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并探討了目前存在的