基于神经网络和小波分析的海洋平台结构损伤检测研究

摘要

大型土木工程结构(如海洋平台)在其服役期间，由于受到腐蚀、碰撞以及环境载荷作用，损伤不可避免。一旦损伤达到一定程度，导致结构破坏，将给生命财产安全造成巨大的损失。因此，对结构进行损伤检测有着重要的意义。 基于振动响应分析的损伤检测方法是目前国内外研究的热点。虽然该方法已在结构损伤检测方面得到了一定程度的应用，但是由于测量噪声、模型参数误差的影响以及测量模态的不完备性，使得基于振动响应分析的损伤检测方法很难用于像海洋平台这样的大型结构。本文在总结回顾以前工作的基础上，主要开展了以下3个方面的工作： 1．本文提出了基于神经网络技术的海洋平台结构多重损伤检测方法。损伤检测分三步进行，首先将构件损伤引起的标准化的频率变化率输入径向基函数网络，进行损伤构件所在方向的判定；然后将构件损伤引起的标准化的损伤信号指标输入概率神经网络，进行损伤构件所在侧面及所在层的判定；最后将构件损伤引起的频率平方的变化比输入BP网络，进行损伤程度评估。为验证基于神经网络技术的海洋平台结构多重损伤检测方法的有效性，分别进行了数值模拟、冲击响应模型实验和振动台模型实验，数值模拟和模型实验结果表明，仅需少量低阶模态，基于神经网络技术的海洋平台结构多重损伤检测方法即可完成对海洋平台结构的损伤检测，且具有一定的抵抗模型参数误差和测量噪声的能力。 2．由于结构发生损伤后，其振动响应信号会发生变化，利用小波包对振动响应信号进行分析，提取包含结构损伤信息的特征向量(如小波包结点能量指标、小波包结点能量的变化量指标等)，可以对结构损伤进行检测。与小波包结点能量指标相比，小波包结点能量的变化量指标对损伤位置更敏感。本文提出了基于小波包结点能量和神经网络的海洋平台结构损伤检测方法，首先利用小波包结点能量的变化量，作为概率神经网络的输入向量来确定损伤位置，其次利用小波包结点能量输入BP神经网络来确定损伤程度。数值模拟验证了该方法的有效性，该方法的优点是直接利用少量测点的振动响应信号即可完成结构的损伤检测，缺点是需重复激励。3．结构的损伤会引起结构健康监测信号的微小突变，与正常信号相比，突变点包含了结构状态变化的信息，因而利用小波分析对信号突变点的检测可对结构进行损伤预警。本文利用小波分析对海洋平台结构进行损伤预警。数值模拟表明，基于小波分析的结构损伤预警方法可以面向实时数据，非常适合在线的海洋平台结构健康监测。

目录

文摘

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1绪论

2基于振动响应分析的损伤检测理论方法综述

3神经网络的基本原理

4基于神经网络的海洋平台结构损伤检测研究

5基于小波包结点能量的海洋平台结构损伤检测研究

6基于小波分析的海洋平台结构损伤预警研究

7结论与展望

论文的创新点摘要

攻读博士学位期间发表论文及奖励

致谢