基于動(dòng)力指紋小波分析的結(jié)構(gòu)損傷特征提取與辨識(shí)基本問(wèn)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(huì)對(duì)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失。對(duì)土木水利工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是具有重大的學(xué)術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)作為土木水利工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的基本形式，正在成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。傅立葉變換本質(zhì)上的不足使現(xiàn)行的“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)+傅立葉變換”的結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)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(dòng)力學(xué)+小波變換”

2、 結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)理論框架的潛質(zhì)。然而小波變換用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)還處于初步探索階段，有許多科學(xué)問(wèn)題亟需解決。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)有關(guān)于“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)+傅立葉變換”框架提升為“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)+小波變換”框架的5個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題進(jìn)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(cè)模式的理論細(xì)節(jié)問(wèn)題、創(chuàng)建不受荷載譜影響的動(dòng)力指紋、提出適合應(yīng)力波傳播無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)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(cè)理論的弊端、在物理模型實(shí)驗(yàn)中提出小波域自治性動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)頻分析法、小波包時(shí)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(shí)驗(yàn)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(cè)模式的若干理論細(xì)節(jié)問(wèn)題，使該模式在改進(jìn)和完善中趨于完備化。(2)

4、 建立了頻響函數(shù)（實(shí)、復(fù)）曲率、振動(dòng)傳遞率（實(shí)、復(fù)）曲率動(dòng)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(dòng)力指紋理論，還提出了結(jié)構(gòu)傳遞特性動(dòng)力指紋（復(fù)函數(shù)性）的合理小波變換算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建動(dòng)力指紋不受荷載譜影響、工程適應(yīng)性強(qiáng)，所建動(dòng)力指紋理論與小波變換算法為發(fā)展實(shí)用性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)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(shí)小波域模譜和模極大譜，三譜相輔的應(yīng)力波連續(xù)小波域譜分析理論，并建立了解析Morlet和實(shí)

5、Marr小波優(yōu)勢(shì)結(jié)合的譜分析理論基本實(shí)施方法，以及基于Morlet小波擴(kuò)展特性和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)Morlet和Marr的譜分析理論擴(kuò)展實(shí)施方法。所提理論比現(xiàn)有的應(yīng)力波小波分析理論更適合應(yīng)力波傳播無(wú)損檢測(cè)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(shí)技術(shù)路線。(4) 針對(duì)分形損傷檢測(cè)理論的弊端，提出了小波與分形優(yōu)勢(shì)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(dòng)力無(wú)損檢測(cè)思路。為了實(shí)施該思路，提出了頻率-時(shí)間有序且無(wú)抽值采樣的

6、小波包變換算法，進(jìn)而提出了該小波算法與關(guān)聯(lián)維優(yōu)勢(shì)融合的結(jié)構(gòu)動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)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(cè)理論的弊端，將其提升到一個(gè)新的水平。(5) 在小波變換檢測(cè)鋼筋混凝土梁疲勞損傷的實(shí)驗(yàn)中，將頻域的頻響函數(shù)、振動(dòng)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(dòng)力指紋：解析小波時(shí)頻響應(yīng)譜、解析小波時(shí)頻傳遞譜，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的解析小波時(shí)頻響應(yīng)譜中的非線