结构健康诊断的系统模型和特征提取研究

摘要

系统模型和特征提取是结构健康诊断研究的重要内容.合理可靠的系统模型是实施结构健康诊断的基础,有助于对结构行为及监测数据的分析解释,也是提取损伤敏感特征的重要依据.损伤敏感特征的提取,对评价结构状态、识别损伤位置程度、修正系统模型都具有重要意义.本文以复杂环境荷载联合作用的结构健康诊断问题为研究背景,围绕系统模型和特征提取完成了以下工作:1.考虑复杂环境荷载联合作用的系统模型:复杂环境荷载联合作用下的结构响应监测数据序列通常具有较为严重的非平稳性和较为复杂的非线性,而目前常用的非物理数值模型一般无法有效解决此类问题.利用环境荷载要素监测数据,通过引入径向基函数神经网络,将环境荷载要素监测数据作为模型输入变量,将监测点的结构响应作为模型输出变量,建立了环境荷载联合作用下的系统RBFNN模型,并且提出了模型输入变量的确定方法和模型性能的评价准则.2.基于结构随机振动响应的系统模型:未知非平稳随机激励下的系统建模,是经典系统辨识理论和现代时间序列分析方法无法解决的问题.本文建立了适用于未知白噪声激励和未知非平稳随机激励的系统RBFNN模型,这种模型无需给出显式的数学表达,只是利用历史观测数据,即可实现输出等价基础上的结构系统动力行为的准确预测.3.基于环境振动的系统模态识别:大型土木工程结构通常具有密集的振动模态,这类结构在环境振动条件下的模态识别比较困难:此外,目前常用的基于环境振动的模态识别方法一般无法区分系统模态和虚假模态.本文基于结构响应相关函数与结构脉冲响应函数的等价关系,建立了系统模态参数识别的相关函数反向自回归(CFBAR)模型,并且讨论了观测噪声对CFBAR模型识别结果的影响.4.常用结构损伤敏感特征的适用性:目前所提出的损伤敏感特征大都是依据实验现象归纳出的经验公式,缺乏方法可行性和适用性的理论依据,在实际应用中通常会导致不利的结果.本文基于频率、振型、模态柔度三种最常用损伤敏感特征的模态灵敏度分析,研究了它们在不同结构模型中的适用性.5.提取结构损伤敏感特征的一般原则:总结归纳了结构损伤敏感特征提取中的一些重要问题:(1)结构整体性与局部损伤的关系;(2)损伤敏感特征的稳定性;(3)是否需要基线模型或数据;(4)损伤敏感特征与测试类型的关系;(5)是否需要结构识别.6.基于小波包分量能量的结构损伤敏感特征:通过观测信号的小波包分解,发展了一种基于监测信号小波包分量能量的损伤敏感特征,利用这一敏感特征实现由观测信号到结构状态的映射关系,得到表征结构状态的损伤敏感特征.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1选题背景

1.2结构健康诊断的研究现状

1.3本文研究内容

第二章结构健康诊断的系统模型研究

2.1引言

2.2神经网络理论及模型简介

2.3考虑复杂环境荷载联合作用的系统RBFNN模型

2.3.1模型建立

2.3.2系统RBFNN模型输入变量的确定

2.3.3系统RBFNN模型的评价

2.3.4应用实例

2.4基于结构随机振动响应的系统RBFNN模型

2.4.1模型建立

2.4.2模型评价

2.4.3数值模拟

2.4.4模型试验

2.5小结

第三章基于环境振动的系统模态识别研究

3.1引言

3.2系统模态识别的反向自回归模型

3.2.1模态参数识别的时间序列法

3.2.2时间序列分析的VBAR模型

3.2.3结构动力的响应

3.2.4系统模态参数识别

3.2.5系统模态识别的可行性研究

3.3系统模态识别的相关函数反向自回归模型

3.4观测噪声对系统模态识别的影响

3.5应用实例

3.6小结

第四章结构损伤敏感特征的研究

4.1引言

4.2几种常用损伤敏感特征的适用性分析

4.3损伤敏感特征的确定原则

4.4基于小波包分量能量的损伤敏感特征提取

4.5悬跨海底管线的异常状态诊断

4.6小结

第五章结论与展望

参考文献

致谢

博士生期间发表学术论文

博士后期间发表学术论文

个人简历

正在承担的研究课题

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