泄流结构水力拍振机理及动态健康监测技术研究

摘要

我国重大水利水电工程的坝高、泄量、泄洪功率均居世界领先水平。由于高速水流、水气二相流、水流——结构相互作用的复杂性,使得泄流结构在长期泄流荷载作用下极易发生疲劳或振动破坏。因此,开展水流诱发结构的振动机理、泄流结构流激振动响应的时频分析、滤波降噪、工作性态识别以及泄流结构动态健康监测技术等领域的研究,对泄流结构的设计和安全运行具有重要的指导作用。本文主要开展以下三个方面的研究:
　　(一)泄流结构水力拍振机理研究。在总结分析泄流结构水流荷载特性的基础上,应用时域分析、频谱分析以及时频分析方法,研究了冲击荷载、谐波激励荷载、宽带随机荷载以及白噪声荷载激励下结构的响应特性。通过开展泄流结构原型观测、流激振动系列模型试验以及有限元计算,分析了水流荷载、泄流结构自身特性以及流激振动响应三者之间的关系,首次提出并解释了泄流结构的水力拍振现象,总结了泄流结构流激振动的响应机制。(1)建立一系列室内流激振动模型试验,将相关性分析、谱分析以及时频分析方法应用到试验数据的分析过程中。通过分析不同固有频率的试件在水流荷载作用下的动态振动特性,研究了泄流结构在水流荷载作用下的随机共振形式,提出水力拍振的概念;(2)分析二滩拱坝在泄流荷载作用下,坝身不同部位的振动响应机理,解释响应中出现的水力拍振现象以及在此基础上形成的拍振现象,为高拱坝体型设计和运行管理提供依据;(3)根据水力拍振理论和二滩、蜀河、炳灵等水电站的原型观测分析,明确了水力拍振现象发生的各种情况,较全面地总结了泄流结构流激振动响应的形成机制。
　　(二)基于时频分析的泄流结构滤波降噪及工作性态识别方法研究。针对环境激励下的模态辨识方法要求激励荷载必须满足白噪声的特性、且不能在时频域同时进行识别的缺点,本文开展了基于时频分析的泄流结构滤波降噪和工作性态识别方法研究。(1)根据HHT时频分析的特点,研究了泄流结构动力响应中与模态信息相关的共振分量的提取方法,直接应用共振分量进行工作性态识别,能够避免受迫振动分量对识别结果的影响;(2)通过研究EMD与小波阈值联合的滤波降噪方法,提出了含噪信号EMD分解后各分量中噪声标准差的确定方法,解决了小波阈值计算中噪声标准差计算难的问题;(3)研究了基于时频分析的泄流结构工作性态识别方法,并将该方法应用于二滩水电站拱坝和映秀湾水电站拦河闸结构的模态参数辨识中,取得了较好的效果。
　　(三)泄流结构动态健康监测技术研究。针对现有健康监测方法存在的不足,本文开展了泄流结构损伤敏感特征指标以及融合决策方法研究。(1)研究和总结了基于波形、标准差、时间序列模型、正则化频率变化率,时频域指标、坐标模态准则、模态振型与频率、模态曲率等损伤敏感指标,建立泄流结构动态健康监测指标体系;(2)研究了基于数据融合技术的决策计算方法,针对D-S证据理论合成规则存在的不足,引入Jousselme距离和证据可信度,改进了D-S证据理论的组合规则。泄流激励下结构的损伤模型试验结果表明,文中方法避免了单一损伤指标由于传感器自身条件、噪声等因素所引起的误判断,有效地降低了错误证据对最终融合结果的影响,适用于泄流结构动态健康监测过程中的损伤定位;(3)结合导墙结构的工作特点,研究了基于HHT时频域指标的稳定性、敏感性和抗噪性,提出了一种适合导墙结构损伤在线监测的新方法。

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第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2水电站泄流诱发结构振动问题国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第二章 泄流结构随机振动分析方法及其响应形式

2.1泄流结构的随机振动分析方法

2.2结构随机振动响应的时频分析方法

2.3泄流结构的振动响应形式分析

2.4本章小结

第三章 泄流结构水力拍振机理研究

3.1拍振波形的合成

3.2二滩拱坝泄洪振动响应特性

3.3泄流结构水力拍振机理试验研究

3.4泄流激励下二滩拱坝的水力拍振机理

3.5蜀河水电站闸墩结构水力拍振现象研究

3.6泄流结构流激振动响应的形成机制

第四章 基于时频分析的泄流结构滤波降噪与工作性态识别方法研究

4.1泄流结构实测振动响应的时频分析

4.2基于EMD和小波阈值联合滤波方法的改进

4.3基于时频分析的泄流结构工作性态识别

4.4应用实例

4.5本章小结

第五章 泄流结构动态健康监测技术研究

5.1泄流结构损伤敏感特征量研究

5.2泄流结构动态健康监测指标体系

5.3基于改进D-S证据理论的决策融合计算方法

5.4应用实例

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢