基于時(shí)域響應(yīng)特征提取與異常檢測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法研究.pdf

1、在航空航天、機(jī)械和土木工程等領(lǐng)域中，如果能對(duì)重要結(jié)構(gòu)實(shí)施有效的健康監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)狀況，將能有效保障結(jié)構(gòu)的安全、可靠運(yùn)行，避免重大事故的發(fā)生。結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的主要支撐技術(shù)，其研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。 基于振動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法是目前結(jié)構(gòu)損傷診斷領(lǐng)域研究應(yīng)用最廣泛的方法之一，它具有不影響結(jié)構(gòu)正常工作，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期或在線監(jiān)測(cè)，操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。按照損傷識(shí)別所需特征量是否依賴結(jié)構(gòu)數(shù)值模型(一般是有限元模

2、型)，基于振動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法可分為基于模型的方法和不基于模型的方法兩大類?；谀Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)損傷診斷方法需要建立結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的數(shù)值模型，難以應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不基于模型的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法直接從振動(dòng)響應(yīng)中提取特征識(shí)別損傷，它不需要建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，便于工程應(yīng)用。特征提取和模式識(shí)別是不基于模型的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法的兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。為了進(jìn)一步改進(jìn)和完善不基于模型的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法，本文圍繞特征提取和模式識(shí)別這兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，以湖南省交通研究院項(xiàng)目

3、(編號(hào)200223)“大型橋梁狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)”為背景，對(duì)基于時(shí)域響應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷敏感特征提取和結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究，主要研究工作包括： 1、針對(duì)頻域特征存在的對(duì)結(jié)構(gòu)早期損傷不敏感的局限性，在相空間重構(gòu)和奇異值分解的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)序列中提取奇異譜作為損傷特征，提出了一種以奇異譜互熵變化來(lái)診斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷的方法。該方法從時(shí)域直接提取特征，可以避免時(shí)頻轉(zhuǎn)化時(shí)的信息丟失，能夠提高對(duì)損傷的敏

4、感度；能通過(guò)奇異譜分析對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，提高方法的抗噪聲干擾能力。以Benchmark結(jié)構(gòu)為對(duì)象，數(shù)值仿真驗(yàn)證了方法的有效性。 2、針對(duì)傳統(tǒng)的基于概率統(tǒng)計(jì)的異常檢測(cè)方法需預(yù)先估計(jì)數(shù)據(jù)的概率分布，不適于實(shí)際應(yīng)用的局限性，提出了基于人工免疫機(jī)制的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法。改進(jìn)了肯定選擇算法，數(shù)值仿真研究了否定選擇算法和肯定選擇算法對(duì)損傷識(shí)別的檢測(cè)率和虛警率，討論了本體匹配半徑和檢測(cè)子數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，分析了高斯激勵(lì)和非高斯激勵(lì)下?lián)p傷

5、檢測(cè)的有效性?；谌斯っ庖邫C(jī)制的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法不需要先驗(yàn)知識(shí)，可以通過(guò)調(diào)整本體匹配半徑實(shí)現(xiàn)在低虛警率條件下達(dá)到較高檢測(cè)率的目的，無(wú)論是否定選擇算法還是肯定選擇算法，其檢測(cè)率均明顯高于概率統(tǒng)計(jì)方法。 3、針對(duì)一般異常檢測(cè)方法需要建立學(xué)習(xí)模型的局限性，提出了基于密度的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法。基于密度的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法具有無(wú)需了解結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的分布知識(shí)，無(wú)需建立學(xué)習(xí)模型，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新等優(yōu)點(diǎn)。給出了環(huán)境激勵(lì)下基于密度檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的

6、方法及步驟，定義了兩種判斷損傷程度的指標(biāo)一相對(duì)局部異常因子及相對(duì)局部稀疏系數(shù)，提出利用損傷前后相對(duì)局部異常因子變化率和相對(duì)局部稀疏系數(shù)變化率來(lái)診斷損傷位置。以Benchmark結(jié)構(gòu)損傷診斷及上海東海大橋船碰橋墩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析為例，驗(yàn)證了所提方法的有效性，并討論了相關(guān)參數(shù)對(duì)損傷及其位置識(shí)別的影響。 4、針對(duì)環(huán)境激勵(lì)存在激勵(lì)能量小、噪聲影響大的缺點(diǎn)，提出了移動(dòng)載荷作用下基于能量比的橋梁損傷檢測(cè)方法。該方法用損傷前后各測(cè)點(diǎn)的能量比構(gòu)成能

7、量比曲線，根據(jù)曲線的局部極大值來(lái)檢測(cè)損傷。以簡(jiǎn)支梁為對(duì)象，將勻速行駛的汽車簡(jiǎn)化為移動(dòng)常量力，仿真驗(yàn)證了所提方法對(duì)單點(diǎn)損傷、多點(diǎn)損傷識(shí)別的有效性，分析了測(cè)量噪聲、常量力、速度、窗長(zhǎng)、測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)點(diǎn)數(shù)目對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。 5、根據(jù)數(shù)字圖像處理中邊緣點(diǎn)的檢測(cè)原理，將橋梁損傷位置看作是邊緣點(diǎn)，提出了移動(dòng)載荷作用下基于邊緣算子的橋梁損傷檢測(cè)方法。該方法從測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)提取小波包能量，以損傷前后小波包能量比作為特征，應(yīng)用一維邊緣算子計(jì)算邊緣