文档介绍：兰州理工大学
硕士学位论文
小波分析与神经网络在结构损伤监测中的应用
姓名:陈文元
申请学位级别:硕士
专业:结构工程
指导教师:杜永峰;李慧
20050601
摘要本文阐述了结构健康监测的内容与要求,以及应用振动诊断方法进行结构损伤识别的技术研究与应用现状。提出了运用小波变换和神经网络的松散结合进行结构健康监测。采用小波分析对获得的结构动力响应进行小波包分解,根据各种响应信号对损伤的灵敏度选择损伤特征,从而识别结构损伤出现的时刻,实现对结构损伤时刻的监控;分别对结构第一层位移响应和加速度响应做小波包分解得到各频段的能量谱,片作为特征参数分别输入到神经网络中实现结构多处损伤识别;比较了位移响应和加速度响应对损伤识别的灵敏性。模拟算例表明,小波分析与神经网络联合运用能准确地渗断出结构的损伤时刻、损伤位置和损伤程度,具有一定的可行性。通过理论分析得出剪切型结构的频率和振型对层问刚度的一阶灵敏度,在此基础貉≈萁峁骨阶频率变化的平方作为特征参数输入到神经网络中实现结构损伤识别。模拟算例表明,该方法具有一定的实用价值。最后本文采用结构的第一层加速度能量谱和第一阶频率变化的平方组合成混合特征参数输入到神经网络中实现结构的损伤识别。模拟算例表明,该方法能高精度地诊断结构损伤位置和程度,对于实际测量误差有较强的鲁棒性。关键词:结构损伤识别;小波包分析;神经网络;灵敏度;频率参数
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第一章绪论几个基本术语前言重大的工程结构,如民用建筑、飞行器、潜艇、空间站、高速列车、汽车、桥梁、水坝、河堤等生命线的健康监测、状态评估与损伤监测对于保障人们生命财产具有极其熏大的意义与作用。由于它们尺寸巨大,并且时刻都暴露在恶劣环境中,易受天灾卣稹⑻ǚ纭⒑樗、人祸鹿省⑵苹怠⒈ā⒒鹪的影响而危机。目前我国土木工程事故频繁发生,如桥梁的突然折断、房屋骤然倒塌等,造成了霞犬的人员伤亡和财产损失,已经引起人们对重大工程安全性的关心和重视。我幽城镇现有建筑已超过亿平方米,但其中世纪年代以前建成的占%,相当多的建筑己进入了中老年期,经过这么多年的使用,他们的安全性能如何欠穸匀嗣竦纳撇钩赏这些都是亟待回答的问题。对已建成的结构和设施采取有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤;对新建的结构和设施总结以往的经验和教训,增设长期的健康监测、振动和损伤控制系统,已成为世界范围的热点课题。当前,我酝聊尽程的动态故障诊断的工作开展得还不多,这主要是由于土木撼痰墓收铣鱿致屎臀:Τ潭冉现诨到峁挂5偷枚唷6杂诖蠖嗍墓ひ得裼建筑而言,定程度的带伤工作是完全允许的,故而现有的工作多半是属于结构可靠性评估。这方面的工作,经济发达国家已经先行一步,因为经济发达国家的建设大多数在经历了大规模新建及新建与维修改造并举的阶段后,正在把建设的重点转移到旧建筑物的维修、改造和加固方面。国外大体上可分为三个阶段:世纪年代到年代为探索阶段,注重对建筑结构缺陷原因的分析和修补方法的研究,检测工作大多采用以目测为主的传统方法:年代到年代为发展阶段,注重对建筑物检测技术和评估方法的研究,提出了破损检测、无损检测、物理检测等几十种现代检测技术;年代以来,则进入完善阶段,这一阶段中制定了一系列的规范和标准,强调了综合评价,并引入知识工程,使结构可靠性评估工作向着智能化迈进。因此讨论建筑结构缺陷的原理及其故障诊断方法具有重要意义。安全性评估:是指通过各种可能的、结构允许的测试手段,测试其当前的工作状态,并与其临界失效状态进行比较,评价其安全等级。对于不同的结构,其重要程度不同,安全等级也应该有所差别。安全性评估与可靠性不同,可靠性为一种概率,为一种可能性;而安全性评估旨在给出确定的安全等级。结构健康:是指土木工程中结构或者系统能够实现其预期功能的一种状态。健康监测:是指利用现场的、无损伤的监测方式获得结构内部信息,分析包括结构反应在内的各种特征,以便了解结构因损伤或者退化而造成的改变。人们关心的问题是,结构损伤到什么程度才能危及其安全性能。因此,健康监测的一个目标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤,避免结构发生事故。健康诊断菏侵附峁乖谑艿阶匀坏如地震,强风等⑷宋5钠苹担蛘兰州理搜蘄宦畚第一章绪论
结构健康诊断的研究现状经过长时期使用后,通过测定其关键性能指标,检查其是否受到损伤,如果受到损伤,损伤位黉潭热绾危煞窦绦褂眉捌涫S嗍倜取K鹕苏锒峡梢源雍芏嗖面上来理解,但最基本的问题有三个:①判断结构是否有损伤;②判断结构的损伤位置;③判断结构的损伤程度。其中问题①最简单,而问题③最困难。如同时求解上述三个问题,难度还要加大。在工程实用中,如果能将上述三个问题分解,则可降低问题求解的难度。结构损伤检测基本上可以分为两大类:整体法和局部法