改进混洗蛙跳算法在裂纹梁参数识别中的研究

摘要

随着大型重载机械的发展，结构裂纹在交变应力作用下不断扩散，会导致结构失效并可能引发重大安全事故。因此，研究识别初期裂纹参数具有重大的工程实践意义。简单有效的振动珍断法在工程中应用广泛，具有多分辨特性的小波有限元在处理裂纹奇异性上具有很大的优势，混洗蛙跳算法的强鲁棒性可以很好地解决裂纹识别中计算量多、梯度大的难题，因此本文利用混洗蛙跳算法结合小波有限元法对裂纹梁进行裂纹参数识别。
　　首先，针对传统混洗蛙跳算法(BSFLA)易陷入局部最优、收敛速度慢以及寻优精度不高的缺点，在深入研究了其寻优机制的基础上，从族群初始化、子族群构建和移动步长三个方面分别对传统混洗蛙跳算法进行了改进。利用混沌序列的遍历性生成均匀分布的初始族群，提高了算法的全局搜索能力;提出了随机编码概率法选择子族群，有效地保护了族群的多样性;在步长更新中借鉴粒子群算法更新了移动步长，加快了算法的收敛速度。对四个标准测试函数进行优化，结果表明改进后的混洗蛙跳算法(ISFLA)有效地避免了早熟现象，在收敛速度、寻优精度以及稳定性上都有所提高，并通过多维优化实例验证了ISFLA寻优的精确性。
　　其次，利用Daubechies小波构建了小波有限元梁单元，将裂纹等效为无质量扭转线弹簧，建立了裂纹梁的小波有限元模型，分析了裂纹参数对固有频率的影响。对悬臂和简支裂纹梁进行激振试验，获取其前三阶固有频率，实验结果与理论相符。
　　最后，将裂纹识别问题转化为以数值模型的输出与结构的实际振动输出间差异最小化为优化目标的优化问题，构造了基于频率的适应度函数，并提出了基于改进混洗蛙跳算法的裂纹参数识别方法。通过悬臂梁和简支梁仿真数据进行了裂纹参数识别仿真实验，验证了改进混洗蛙跳算法应用于裂纹参数识别的可行性。将实测裂纹梁固频作为识别系统的输入，利用改进混洗蛙跳算法优化识别出裂纹参数，取得了很好的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混洗蛙跳算法研究现状

1．2．2 小波有限元技术研究现状

1．2．3 结构裂纹振动识别研究现状

1．3 论文框架及研究内容

第2章 混洗蛙跳算法的改进

2．1 混洗蛙跳算法基本原理

2．1．1 混洗蛙跳算法行为描述

2．1．2 混洗蛙跳算法数学模型及流程

2．2 改进的混洗蛙跳算法

2．2．1 混沌序列构建初始族群

2．2．2 随机编码概率选择子族群

2．2．3 移动步长更新策略

2．3 算法多维优化测试

2．3．1 测试函数

2．3．2 优化结果与分析

2．4 算法多维优化实例

2．4．1 ISFLA优化BP神经网络权值及阈值

2．4．2 齿轮箱故障诊断分析

2．5 本章小结

第3章 裂纹梁横向振动分析及其实验验证

3．1 基于小波有限元的梁单元

3．1．1 Daubechies小波的特性

3．1．2 Daubechies小波有限元梁单元的构建

3．2 裂纹梁横向振动分析

3．2．1 裂纹扭转线弹簧模型

3．2．2 裂纹等效刚度计算

3．2．3 梁的横向振动解析解

3．2．4 梁的横向振动小波有限元数值解

3．2．5 悬臂裂纹梁分析

3．2．6 简支裂纹梁分析

3．3 裂纹梁振动实验验证

3．3．1 裂纹梁试件

3．3．2 实验台及测试方案

3．3．3 振动实验数据处理

3．4 本章小结

第4章 基于混洗蛙跳算法的裂纹参数识别分析

4．1 裂纹参数识别原理

4．2 基于混洗蛙跳算法的裂纹参数识别方法

4．3 仿真分析

4．3．1 悬臂梁仿真分析

4．3．2 简支梁仿真分析

4．4 裂纹梁参数识别

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢