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基于曲率模态小波神经网络的框架结构损伤识别研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 结构损伤识别的研究背景

1.2 结构损伤识别研究的发展与现状

1.3 结构损伤识别的方法

1.3.1 基于结构固有频率的损伤识别方法

1.3.2 基于模态振型变化的损伤识别方法

1.3.3 基于结构柔度矩阵变化观测的结构损伤识别方法

1.3.4 基于模态参数的损伤识别方法

1.3.5 人工神经网络算法

1.3.6 基于遗传算法的损伤识别方法

1.4 本文研究的主要内容

第二章 小波分析基本理论

2.1 引言

2.2 傅里叶变换和窗口傅立叶变换

2.3 连续小波变换

2.3.1 连续小波变换主要性质

2.3.2 连续小波变换的频率特性

2.3.3 连续小波变换的尺度特性

2.4 离散小波变换

2.5 常用的小波函数

2.5.1 Daubechies小波

2.5.2 Mexico草帽小波

2.5.3 Gaussian小波

2.5.4 Hear小波

第三章 神经网络基本理论

3.1 引言

3.2 人工神经网络

3.2.1 人工神经网络的工作机理

3.2.2 人工神经网络的特点

3.3 BP神经网络

3.3.1 BP神经网络的介绍

3.3.2 BP神经网络的算法

3.3.3 BP神经网络的结构确定

3.4 BP神经网络存在的问题

第四章 基于曲率模态的小波神经网络的结构损伤识别原理

4.1 小波变换对信号奇异性检测的基本原理

4.1.1 信号奇异性的性质

4.1.2 小波变换识别奇异点位置的方法

4.2 基于曲率模态小波变换的损伤识别原理

4.3 基于BP神经网路的损伤识别

4.3.1 网络输入参数的选取

4.3.2 样本数据的处理

4.4 小波基的选择

第五章 基于小波神经网络的简单框架损伤识别

5.1 引言

5.2 一层一跨框架的损伤位置识别

5.2.1 一层一跨框架的有限元模型

5.2.2 利用小波分析对结构损伤定位

5.3 一层一跨框架结构的损伤程度识别

5.3.1 BP神经网络的构建

5.3.2 利用国有频率作为神经网络的输入参数

5.3.3 利用神经网络确定损伤的程度

5.3.4 BP神经网络的测试结果输出

5.3.5 结果分析

5.4 一层两跨框架的损伤位置识别

5.4.1 一层两跨框架有限元模型

5.4.2 利用小波分析对结构损伤定位

5.5 一层两跨框架结构的损伤程度识别

5.5.1 BP神经网络的构建

5.5.2 利用固有频率作为神经网络的输入参数

5.5.3 利用神经网络确定损伤的程度

5.5.4 BP神经网络的测试结果输出

5.5.5 结果分析

第六章 基于小波神经网络的复杂框架损伤识别

6.1 引言

6.2 两层一跨框架的损伤位置识别

6.2.1 两层一跨框架有限元模型

6.2.2 利用小波分析对结构损伤定位

6.3 两层一跨框架结构的损伤程度识别

6.3.1 BP神经网络的构建

6.3.2 利用固有频率作为神经网络的输入参数

6.3.3 利用神经网络确定损伤的程度

6.3.4 BP神经网络的测试结果输出

6.3.5 结果分析

6.4 两层两跨框架的损伤位置识别

6.4.1 两层两跨框架有限元模型

6.4.2 利用小波分析对结构损伤定位

6.5 两层一跨框架结构的损伤程度识别

6.5.1 BP神经网络的构建

6.5.2 利用固有频率作为神经网络的输入参数

6.5.3 利用神经网络确定损伤的程度

6.5.4 BP神经网络的测试结果输出

6.5.5 结果分析

结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录 (攻读硕士期间发表论文和参加的项目工作)

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摘要

框架结构形式在工程中被广泛采用,由于结构在使用过程中往往存在初始损伤或因使用年限的增加,外荷载频繁作用使结构损伤的积累,可能导致结构抗力的减弱,当结构的某一部分出现损伤时可能会致使结构的其它部分甚至整个结构出现破坏,所以研究框架结构的稳定性与安全性不仅可以防止社会财富的损失,更重要的是能够保障人民的生命安全。因此,监测结构的工作状况,研究框架结构的损伤诊断方法,有着十分重要的工程及现实意义。
  小波变换能够分析信号在时、频两域的局部特征,神经网络具有很好的自组织能力、很强的非线性映射能力,通过将小波分析与神经网络相结合的方法实现对框架结构的损伤位置和损伤程度的识别,运用的基本方法是:通过建立损伤框架结构的有限元模型并对其动力特征进行分析,将得到的曲率模态进行连续小波变换可以得到结构的小波系数,由小波系数模极大值确定损伤的位置。以损伤后结构的固有频率作为神经网络输入参数构造神经网络,从而实现对框架结构损伤程度的识别。
  本文以框架结构为研究对象,建立了框架结构的有限元模型(一层一跨多处损伤的框架结构、一层两跨多处损伤的框架结构),运用小波分析原理,采用Lanczos法得到框架结构的曲率模态,对其曲率模态进行连续小波变换可以得到结构的小波系数,由小波系数模极大值确定损伤的位置。以损伤后结构的固有频率作为神经网络输入参数构造神经网络,从而实现对框架结构损伤程度的识别,建立了一种基于小波神经网络算法的框架结构损伤识别方法。
  本文在简单的框架结构基础上,将上述方法应用到较复杂的两层一跨、两层两跨多处损伤框架结构上,建立了框架结构的有限元模型,由小波系数模极大值确定损伤的位置,由构造的神经网络来确定损伤的程度,验证了方法的有效性。本文提出的方法可供结构损伤诊断的工程应用参考。

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