基于小波分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別在土木工程領(lǐng)域的有著廣泛的應(yīng)用背景，目前的識(shí)別方法大多數(shù)是在時(shí)域和頻域上進(jìn)行的。但是實(shí)際工程結(jié)構(gòu)所受激勵(lì)大多為非平穩(wěn)的，實(shí)際測(cè)試信號(hào)的信噪比低，且大多數(shù)土木工程結(jié)構(gòu)為非線性結(jié)構(gòu)，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，其剛度降低，表現(xiàn)為時(shí)變結(jié)構(gòu)。對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)和非線性時(shí)變結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，時(shí)域法和頻域法不能滿足信號(hào)在時(shí)頻兩域同時(shí)進(jìn)行局部分析的要求。基于上述分析，本文利用小波分析對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別中的測(cè)量噪聲和非線性時(shí)變結(jié)構(gòu)辨識(shí)兩個(gè)方面的問題展開研究，主要

2、內(nèi)容如下： 1 提出了線性系統(tǒng)物理參數(shù)的分頻段加權(quán)最小二乘辨識(shí)方法。利用小波分析多分辨分析原理，建立線性系統(tǒng)多尺度動(dòng)力平衡方程。將系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)用離散小波變換分解到不同尺度上，由各尺度上小波系數(shù)構(gòu)成參數(shù)識(shí)別方程的系數(shù)矩陣和輸入向量，根據(jù)不同頻段上的信噪比大小確定不同的權(quán)值對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)最小二乘辨識(shí)。對(duì)于白噪聲和有先驗(yàn)知識(shí)的有色噪聲情況，分頻段加權(quán)最小二乘辨識(shí)均能較大地提高了參數(shù)識(shí)別精度。 2 提出了結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的多

3、尺度參數(shù)卡爾曼濾波辨識(shí)方法。以小波變換為基礎(chǔ)分析信號(hào)的多尺度表示和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)方程的多尺度分解，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)方法與多尺度系統(tǒng)理論相結(jié)合，在不同尺度上運(yùn)用參數(shù)卡爾曼濾波對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了有效辨識(shí)，提高了識(shí)別精度。 3 提出了結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的多尺度非線性最小二乘辨識(shí)。針對(duì)實(shí)際工程測(cè)量信息有限的情況，利用靜力凝聚方法得到框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化層模型，利用積分算子變換法獲得變換空間完備信息，結(jié)合多尺度辨識(shí)思想對(duì)框架各層柱、梁彈性模量進(jìn)行非線性

4、最小二乘辨識(shí)。數(shù)值算例表明該方法可以獲得比單一尺度上更多的信息，提高識(shí)別精度。對(duì)一個(gè)4層1跨2開間鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型在頂點(diǎn)白噪聲激勵(lì)下的各層響應(yīng)進(jìn)行分析。運(yùn)用隨機(jī)減量法得到模型自由振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而識(shí)別模型的各階自振頻率和阻尼比。運(yùn)用多尺度非線性最小二乘辨識(shí)方法對(duì)框架模型的層彈性模量進(jìn)行了有效識(shí)別。 4 研究了基于Morlet復(fù)小波變換的弱非線性系統(tǒng)識(shí)別方法。用Morlet復(fù)小波變換對(duì)弱非線性系統(tǒng)自由振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，通過小波脊

5、線對(duì)應(yīng)的尺度和脊線上的小波系數(shù)識(shí)別其瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)振幅，由識(shí)別的瞬時(shí)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)一步識(shí)別弱非線性系統(tǒng)的固有頻率、阻尼系數(shù)和非線性系數(shù)。比較了短時(shí)傅立葉變換、希爾伯特變換和Morlet復(fù)小波變換識(shí)別弱非線性系統(tǒng)自由振動(dòng)瞬時(shí)頻率的結(jié)果。推導(dǎo)了考慮材料非線性時(shí)鋼筋混凝土梁的自由振動(dòng)方程，為類似于Duffing方程的弱二次非線性方程。完成一根鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁在不同損傷工況下的錘擊振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了梁微幅彎曲振動(dòng)存在類似于軟彈簧的弱二次非線性，并用M

6、orlet復(fù)小波變換識(shí)別各種工況下梁的固有頻率、阻尼系數(shù)和非線性系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明梁的固有頻率隨著損傷的增大而減小，阻尼系數(shù)和非線性系數(shù)隨著損傷的增大而增大。 5 研究了基于改進(jìn)L-P小波變換的結(jié)構(gòu)時(shí)變模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。針對(duì)框架結(jié)構(gòu)在地震作用下出現(xiàn)損傷的情況，用改進(jìn)的L-P小波對(duì)其各層加速度進(jìn)行小波變換，由能量較大的頻帶所對(duì)應(yīng)的尺度識(shí)別結(jié)構(gòu)基本頻率及其隨時(shí)間的變化情況，從而判斷結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷以及損傷出現(xiàn)的時(shí)間；由各質(zhì)點(diǎn)在各階頻率對(duì)應(yīng)尺

7、度上的小波系數(shù)識(shí)別結(jié)構(gòu)的各階振型，通過由識(shí)別的振型計(jì)算得到的各層相對(duì)變形與無損傷時(shí)的變化值，可以確定損傷的位置。該方法不需要知道結(jié)構(gòu)模型，不需要激勵(lì)信息；有較好的抗噪聲能力；有利于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。運(yùn)用該方法對(duì)美國(guó)加州強(qiáng)震觀測(cè)計(jì)劃中的一棟建筑的實(shí)測(cè)強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析，結(jié)果表明該方法可以較好地識(shí)別建筑物在地震中的損傷情況。 6 研究了基于小波基函數(shù)的結(jié)構(gòu)時(shí)變物理參數(shù)識(shí)別方法。運(yùn)用小波分析的Mallat算法可以得到時(shí)變函數(shù)的小波展式