基于振动信号反演的道岔结构伤损识别研究

摘要

道岔结构作为铁路轨道设备的重要组成部分，保障了列车髙密度作业的同时也提高了铁路的通过能力。道岔结构因其工作环境的特殊性，极易发生伤损，从而降低结构性能，严重影响列车行车安全。因此，研究道岔结构的伤损识别理论方法具有重要价值与意义。 结构一旦发生伤损必然会导致其振动特性变化，通过观测振动特性参数的变化可以评估结构工作状态，结构振动特性参数包括固有频率、振型和频响函数等。鉴于此，本文研究了基于振动的道岔结构伤损识别方法。另外，由于列 车过道岔时激励信号不可测，为保证频响函数的真实、可靠，本文还研究了一种振动信号反演方法。 本文完成的研究内容包括以下三方面： (1 )在载荷未知的情况下，通过比较各指标对裂纹伤损识别的效果，在模态应变的基础上研究了一种基于相关模态应变变化率的道岔轨道结构伤损评判指标。仿真及足尺模型试验表明：该指标对裂纹伤损识别效果较好。 (2 )结合动态规划理论，研究了一种基于振动信号反演的时域载荷求解方法。将 Bellman原理应用到误差函数优化中，使得每一步求解都能保证误差函数最小，有效地降低了反演过程中误差的积累，同时在一定程度上抑制了反演过程中系数矩阵求逆的病态问题；通过L 曲线法确定最优正则参数，使得反演载荷更接近实际值。算例及试验表明：反演结果较好，且方法具有良好的抗噪 性能。 (3 )以结构实测频响函数为基础，设计了一种基于多元控制图和马氏距离的道岔结构伤损识别方法。首先，为了避免频响函数估计对道岔伤损识别造成较大误差，通过反演得出的载荷信号计算实测频响函数，然后对其质量进行了评价；其次，针对频响函数矩阵维度较髙的问题，引入主分量分析方法压缩矩 阵；最后，结合多元控制图和马氏距离理论，研究了道岔结构伤损识别过程。实测数据与试验结果表明：该方法能有效定位伤损，并初步判别伤损程度。 最后对本文的主要研究内容做出总结，并展望下一步的研究方向。

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