基于動力指紋小波分析的結(jié)構(gòu)損傷特征提取與辨識基本問題研究.pdf

1、土木水利工程如大壩、河堤、橋梁等，在損傷積聚下一旦發(fā)生潰塌，會對國家和人民的生命財產(chǎn)造成極大的損失。對土木水利工程結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測是具有重大的學術(shù)、經(jīng)濟和社會意義。結(jié)構(gòu)動力無損檢測作為土木水利工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本形式，正在成為世界范圍內(nèi)的一個研究熱點。傅立葉變換本質(zhì)上的不足使現(xiàn)行的“結(jié)構(gòu)動力學+傅立葉變換”的結(jié)構(gòu)動力無損檢測理論框架存在先天缺陷。小波變換從本質(zhì)上克服了傅立葉變換的不足，具有將上述理論框架提升為“結(jié)構(gòu)動力學+小波變換”

2、 結(jié)構(gòu)動力無損檢測理論框架的潛質(zhì)。然而小波變換用于結(jié)構(gòu)動力無損檢測還處于初步探索階段，有許多科學問題亟需解決。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和物理模型實驗相結(jié)合的研究方法，對有關(guān)于“結(jié)構(gòu)動力學+傅立葉變換”框架提升為“結(jié)構(gòu)動力學+小波變換”框架的5個關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題進行了研究，包括解決“小波包變換-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)” 智能損傷檢測模式的理論細節(jié)問題、創(chuàng)建不受荷載譜影響的動力指紋、提出適合應力波傳播無損檢測的應力波小波分析理論、利用小波變換消除現(xiàn)有分

3、形損傷檢測理論的弊端、在物理模型實驗中提出小波域自治性動力無損檢測方法。取得的創(chuàng)新性研究成果主要有：(1) 建立了小波包子帶能量表征損傷的實驗依據(jù)，研發(fā)了系數(shù)子帶有序排列的快速頻率有序小波包算法，提出了小波包時頻分析法、小波包時頻能量譜分析法，并提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主成分分析的高維小波損傷特征向量降維方法。實驗結(jié)果表明，上述成果解決了“小波包變換-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)” 智能損傷檢測模式的若干理論細節(jié)問題，使該模式在改進和完善中趨于完備化。(2)

4、 建立了頻響函數(shù)（實、復）曲率、振動傳遞率（實、復）曲率動力指紋，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳遞特性動力指紋理論，還提出了結(jié)構(gòu)傳遞特性動力指紋（復函數(shù)性）的合理小波變換算法。實驗結(jié)果表明，所建動力指紋不受荷載譜影響、工程適應性強，所建動力指紋理論與小波變換算法為發(fā)展實用性強的結(jié)構(gòu)動力無損檢測技術(shù)提供了理論支撐。(3) 提出了解析小波域能量密度譜、實小波域模譜和模極大譜，三譜相輔的應力波連續(xù)小波域譜分析理論，并建立了解析Morlet和實

5、Marr小波優(yōu)勢結(jié)合的譜分析理論基本實施方法，以及基于Morlet小波擴展特性和改進標準Morlet和Marr的譜分析理論擴展實施方法。所提理論比現(xiàn)有的應力波小波分析理論更適合應力波傳播無損檢測的工程要求，且所提理論與方法成功用于構(gòu)建基礎(chǔ)介質(zhì)損傷特征辨識技術(shù)路線。(4) 針對分形損傷檢測理論的弊端，提出了小波與分形優(yōu)勢融合的“小波挖掘損傷信息，分形提取損傷特征”的結(jié)構(gòu)動力無損檢測思路。為了實施該思路，提出了頻率-時間有序且無抽值采樣的

6、小波包變換算法，進而提出了該小波算法與關(guān)聯(lián)維優(yōu)勢融合的結(jié)構(gòu)動力無損檢測方法。實驗結(jié)果表明，所提小波包算法為分形合理地用于結(jié)構(gòu)無損檢測創(chuàng)造了良好條件，且所提思路及方法消除了現(xiàn)有分形損傷檢測理論的弊端，將其提升到一個新的水平。(5) 在小波變換檢測鋼筋混凝土梁疲勞損傷的實驗中，將頻域的頻響函數(shù)、振動傳率的概念延伸到小波域，建立了小波域結(jié)構(gòu)傳遞特性動力指紋：解析小波時頻響應譜、解析小波時頻傳遞譜，并針對實驗中發(fā)現(xiàn)的解析小波時頻響應譜中的非線