基于压电阻抗与改进马氏距离的木试件损伤检测试验研究

摘要

压电阻抗技术近年来被广泛应用于土木工程结构损伤识别与健康监测领域，包括钢结构、混凝土结构以及铝合金结构的损伤检测。但是，关于将其应用于木结构的损伤检测方面的研究比较少。本文在压电阻抗技术已有的研究成果上，通过木试件损伤检测试验研究，探索了将压电阻抗技术应用于木结构损伤识别的可行性。本文的试验材料包括针叶类代表木材芬兰松和阔叶类代表木材巴劳木，损伤类型包括横纹损伤、顺纹损伤以及孔洞损伤。通过分别测量健康与损伤状态下试件的导纳曲线，研究压电阻抗技术对于木结构损伤识别的可行性。为定性判断损伤程度，除使用常规的相关系数（CC）、均方根偏差（RMSD）指标以外，还引入了马氏距离（Mahalanobis Distance）。由于马氏距离指标在本试验数据处理中存在计算结果不可靠等问题，本文对马氏距离进行了基于主成分分析的合理改进，建立了基于改进马氏距离（Modified Mahalanobis Distance）的损伤程度评价指标。根据本文研究内容，可得出以下结论：
　　1、压电阻抗技术对芬兰松的损伤比巴劳木更为敏感。通过观察发现，芬兰松损伤检测试验中所有频率段的CC和RMSD均可有效反映损伤变化，而巴劳木损伤检测试验中存在少量工况的部分频率段不能反映损伤变化。
　　2、不同损伤类型的损伤敏感频率段不一样。分析CC、RMSD指标可知，横纹、顺纹损伤在30kHz-50kHz的损伤指标变化更显著；而孔洞损伤在30kHz-50kHz和150kHz-500kHz的指标变化更为显著。
　　3、改进马氏距离融合了多频率段损伤信息，比CC和RMSD指标包含了更多的统计信息，可以从整体上衡量各工况之间的差异，为基于压电阻抗技术的木结构损伤检测提供更可靠的评价。
　　综上所述，将压电阻抗技术应用于木试件损伤检测是可行的。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2基于压电阻抗技术的损伤检测研究现状

1.3木结构损伤检测研究现状

1.4马氏距离在聚类分析中的研究现状

1.5本文研究内容

2压电阻抗技术的基本原理

2.1压电陶瓷材料及其特性

2.2 基于压电阻抗技术的结构损伤检测理论

2.3 本章小结

3基于压电阻抗技术的木试件损伤检测试验研究

3.1 试验目的

3.2 试验方案

3.3 试验步骤

3.4试验结果

3.5 本章小结

4 基于CC、RMSD指标的试验数据分析

4.1 CC、RMSD指标介绍

4.2 基于CC、RMSD指标的原始数据量化分析

4.3 基于CC、RMSD指标规律性分析

4.4 本章小结

5 基于改进马氏距离的试验数据分析

5.1 基于马氏距离的试验数据分析及其不足

5.2 基于改进马氏距离的试验数据分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1：第四章附图

附录2：第五章附图