基于小波包变换的梁式结构损伤定位方法

本文针对梁式结构,基于小波包变换理论,提出一种新的损伤定位方法。该方法利用小波包变换将结构的响应分解到不同的模态,引入曲率公式定义了新的小波能量指标,使得能量指标对损伤位置更加敏感。根据工程实际,构造了对应于结构区域的损伤指标。利用D-S证据理论对得到的各阶损伤指标进行数据融合,从而优化了识别结果。通过数值模拟和实验,对新提出的方法进行了验证,结果表明该方法有效,并可应用于工程实际。     

基于振动响应相关性的简支梁桥损伤识别方法

针对已有的结构损伤识别方法需要已知结构损伤前的响应信息这种情况,尝试将提升小波变换与振动响应相关系数结合起来,提出一种不需要知道结构损伤前响应信息的简支梁桥结构损伤识别新方法。利用移动荷载激励作用下数值计算出的结构位移响应和经过提升小波变换处理后的位移响应,分别计算出相应的损伤指标,即位移响应相关系数曲率(Correlation Coefficient Curvature,CCC)。发现由提升小波变换处理后的位移响应计算出的损伤指标相对于直接利用位移响应计算出的损伤指标,损伤识别效果有很大提升,且基本不受车辆行驶速度的影响。通过对多种损伤工况下的简支梁桥的数值模拟和跨中损伤工况下的模型实验,证实了该损伤识别方法在结构损伤前响应信息未知的前提下,仍然具有可行性和有效性。     

基于小波分析的梁裂缝识别研究

利用小波分析对筒支梁的裂缝进行识别。将带裂缝筒支梁的基本振型用Mexican Hat小波进行连续小波变换，从小波系数在裂缝处出现模极大值可以识别出裂缝位置，利用由小波系数计算得到的Lipschitz指数来识别裂缝深度，Lipschitz指数随着裂缝深度的增加而减小。通过分析和仿真计算获得满意结果，在仿真算例中分析了裂缝位置对Lipschitz指数的影响很小，可以忽略；振型的测点距离越大，Lipschitz指数越大。同时指出噪声对Lipschitz指数有影响但在噪声不很大时仍能较好地识别裂缝。该方法同样适用于多条裂缝的识别和其他构件的裂缝识别。     

基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别

为了提高对桥梁结构损伤位置的识别精度及准确性,利用应变对结构局部损伤敏感的特性,提出了基于小波分析和变异系数的简支梁桥损伤识别新方法。在移动荷载作用下,对简支梁桥动态应变响应进行二进离散小波变换,将叠加在一起的多阶模态响应进行分离;根据差分法和统计参数,构建出低阶应变响应的变异系数双重曲率(Double Curvature of Variation Coefficient,DCVC)损伤指标。以简支梁桥作为研究对象,将所提方法通过有限元数值模拟和模型实验给予验证。研究结果表明:该方法成功摆脱了对健康结构响应数据的依赖,可以准确识别出简支梁桥不同位置不同程度的单处、多处损伤,且受移动荷载行驶速度的影响较小,在简支梁桥损伤识别研究中具有很好的识别效果。     

小波分析在悬臂梁裂纹识别中的应用

基于空间信号的小波分析理论,将含裂纹悬臂梁前四阶振型信息直接用于小波变换,小波系数在空间域上的突变反映了裂纹的存在并指出了裂纹的位置.本文分析了前四阶振型对小波识别结果的敏感性,利用小波系数模极大值在尺度上的表现与Lipschitz指数之闻的关系建立了集中因子和裂纹深度之间的关系,以此来估计裂纹深度.鉴于实测信号往往是含噪声信号,分析了噪声对识别结果的影响规律.数值算例表明利用sym4小波对含裂纹梁的四阶振型信息进行小波分析可以准确地识别出裂纹的位置和深度;高阶振型对结构损伤较为敏感,高阶振型更适合于微裂纹和含噪声信息的处理,但高阶振型的非线性也会给裂纹识别带来一定的困难.使用本文方法进行结构裂纹参数识别,噪声对裂纹位置的影响只是指示清晰度的影响,基本不会产生错误的识别,而对裂纹深度的影响远比对位置的影响复杂,由于小波系数混入了噪声成分,从而增加了集中因子的取值,致使识别结果总是比真实结果偏大.     

基于小波多分辨滤波特性的结构损伤识别

小波分析作为一个很好的损伤识别工具,可以看作是传统傅立叶变换的扩展,小波变换采取了可调整的时频窗口,因此小波变换的优势是它具有了“可变焦”性能对局部信号进行多尺度的刻画。小波基的伸缩和平移系列,使小波变换可看作是一组带通滤波器。本文全面分析了小波变换多尺度带通滤波器特性以及在结构在线损伤识别中的应用。结构损伤的出现体现在结构物理参数的改变,相对应的动力响应信号将会产生局部时变特性。利用小波分析的多尺度带通滤波器在不同尺度下对结构振动信号作滤波分析。通过观察不同带宽内振动信号的时频变化来判断结构损伤的存在。     

基于应变模态小波变换的框架结构损伤识别研究

采用应变模态的小波变换方法研究了框架结构的损伤识别问题。以有限元分析求解含裂缝平面框架应变模态为基础,利用Guass2小波对框架的应变模态进行小波变换,再用db3小波对应变模态小波变换系数进行去噪处理,最后通过对去噪处理后的小波系数模极大值点来识别框架结构裂缝的位置,建立了基于应变模态小波变换识别平面框架损伤的方法。以一层平面框架为例,分别给出了框架梁含有裂缝、框架柱含有裂缝、框架梁和柱均含有裂缝的有限元模型,计算得到结构的应变模态,并通过应变模态小波分析来识别平面框架裂缝的位置。从识别结果发现,经小波去噪处理后应变模态小波系数的模极大值点能够有效识别框架结构的损伤,数值计算验证了方法的有效性。本文研究对工程结构损伤诊断有参考价值。     

基于小波分析的超声导波管道裂纹检测方法研究

利用LS-DYNA970动态有限元分析软件对考虑横应变下的管道纵向超声导波损伤检测进行了数值模拟,分析了不同的激发频率对管道中导波频散现象的影响.选择适当的尺度和小波基函数,利用小波变换实现了对微弱且无法直接观测的缺陷检测信号的识别.同时通过时频分析研究了噪声信号在检测信号中的分布规律,并运用小波包分解和重构算法将信噪分离,实现高噪条件下管道微缺陷的损伤识别.     

基于曲率模态和小波奇异性的结构损伤识别

传统的傅立叶变换适合确定一个函数奇异性的整体性质,而难以确定奇异点在空间的位置及分布情况.小波变换具有在时域和频域局部放大的性质,在工程中获得广泛应用.由于曲率模态具有较高的灵敏度,仅仅需要较低阶的模态信息就可获得很好的识别效果.本文据此提出了采用损伤前后曲率模态残差小波变换系数方法对结构损伤进行识别,通过该小波变换系数的分布情况来确定结构的损伤指标.为验证该方法的有效性,通过选用具有线性相位的双正交样条小波,对一梁结构进行了数值模拟.结果表明,采用该方法不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置.     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

Wavelet-based crack identification of bridge beam from operational deflection time history

A new method for crack identification of bridge beam structures under a moving load based on wavelet analysis is presented. Crack is modeled through rotational springs whose compliance is evaluated using linear elastic fracture mechanics. Dynamic behavior of the cracked beam subject to moving load is analyzed using mode superposition. The response obtained at a single measuring point is analyzed using continuous wavelet transform and the location of the cracks is estimated. The locations of the cracks are determined from the sudden changes in the spatial variation of the transform responses. To estimate the relative depth of the cracks, a damage factor is established which relates the size of the cracks to the coefficients of the wavelet transform. The proposed method is validated by both simulation and experiment. Locations of multiple damages can be located accurately, and the results are not sensitive to measurement noise, speed and magnitude of moving load, measuring location, etc.     

基于时间响应函数的结构阻尼识别方法比较

研究了3种基于时间响应函数的结构阻尼识别方法, 包括对数衰减法、希尔 伯特方法和小波方法. 给出了3种方法的实现算法, 分析了对密集模态的识别能力. 构造仿真算例, 采用3种方法识别了5{\%}, 10{\%}和30{\%}噪声条件下的模态阻尼. 结果表明, 小波方法比对数衰减法和希尔伯特方法具有更好的噪声鲁棒性. 采用小波方法分析了润扬大桥结构健康监测系统获得的实测数据, 识别出了润扬大桥悬索桥前6阶模态参数, 第2阶和第3阶模态频率相差仅为0.015\,Hz. 研究表明, 小波方法具备噪声条件下密集模态的识别能力, 是工程中阻尼识别的优选方法.     

基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤识别方法研究

为了解决基于小波变换系数难以识别结构边缘损伤的问题,以及试验中损伤对周边的影响导致小波系数难以精确定位损伤位置的问题,提出了基于梁连续抗弯刚度与小波变换的结构损伤位置识别方法。该方法结合梁结构连续抗弯刚度与小波系数边缘的特点,在未知无损梁结构振动参数的情况下,能有效识别出梁结构边缘损伤且能准确定位试验中梁结构的损伤,通过损伤梁的数值模拟与试验证明了该方法的正确性。     

Wavelet packet based damage identification of beam structures

Most of vibration-based damage detection methods require the modal properties that are obtained from measured signals through the system identification techniques. However, the modal properties such as natural frequencies and mode shapes are not such a good sensitive indication of structural damage. The wavelet packet transform (WPT) is a mathematical tool that has a special advantage over the traditional Fourier transform in analyzing non-stationary signals. It adopts redundant basis functions and hence can provide an arbitrary time-frequency resolution. In this study, a damage detection index called wavelet packet energy rate index (WPERI), is proposed for the damage detection of beam structures. The measured dynamic signals are decomposed into the wavelet packet components and the wavelet energy rate index is computed to indicate the structural damage. The proposed damage identification method is firstly illustrated with a simulated simply supported beam and the identified damage is satisfactory with assumed damage. Afterward, the method is applied to the tested steel beams with three damage scenarios in the laboratory. Despite the noise is present for real measurement data, the identified damage pattern is comparable with the tests. Both simulated and experimental studies demonstrated that the WPT-based energy rate index is a good candidate index that is sensitive to structural local damage.     

基于均布荷载挠度曲率的梁结构损伤识别方法

为运用荷载挠度曲线进行损伤识别，通过力法推导了梁结构在均布荷载作用下的挠度曲率理论公式，提出通过损伤前后的挠度曲率差进行损伤定位，针对多跨连续梁均布荷载下挠度曲率指标存在的损伤识别漏判问题，提出逐跨均布荷载挠度曲率指标以避免其影响，并建立了挠度曲率与损伤程度的理论关系式，可对损伤程度进行较精确的定量描述．通过一简支梁和一三跨连续梁算例，考虑多种损伤工况，分析了指标在不同程度噪声水平下的抗干扰能力，验证了挠度曲率损伤指标应用于实际的可行性．     

Identification of multiple open and fatigue cracks in beam-like structures using wavelets on deflection signals

A novel method for damage detection of multi-cracked beam-like structures by analyzing the static deflection is presented. The damage incurred produces a change in the stiffness of the beam. This causes a localized singularity which can be identified by a wavelet analysis of the displacement response. The existence and location of the cracks can be revealed by positions of the peaks in the continuous wavelet transform (CWT). To achieve this, the static profile of beams is analyzed with Gauss2 wavelet to identify the cracks. Beams under some ideal boundary and prescribed load conditions are considered. The deflected shape of the beam with open and fatigue cracks has been simulated under static loading using lumped crack models adopted from fracture mechanics and involving various degrees of complexity. The deflection of cracked beam in closed form for several cases of loads, crack sizes, and crack locations is calculated, and an explicit expression for the damage index (DI), based on CWT, is developed; it is demonstrated that the proposed damage index does not depend on mechanical properties of a homogeneous beam, and that the DI of one crack does not depend on the size and location of other cracks in a multiple cracked beam. Hence, the obtained expression for the DI can be used to find the size of each crack independently. Numerical results show that the method can detect cracks of small depth and is also applicable under the presence of measurement noise.     

一种仅使用静态响应的梁结构损伤识别方法

提出了一种仅使用静态响应的梁结构损伤识别方法。此方法引入了一种倒数变量。采用倒数变量后，位移的泰勒展开式中仅含有倒数增量的线性项。构建了基于倒数变量的损伤求解模型，然后应用非负最小二乘法求解损伤参数，可同时确定损伤位置和程度。与未引用倒数变量的方法对比，求解的损伤参数更加逼近真实的损伤情况，且讨论了噪声的影响。通过数值模拟对三跨连续梁结构进行仿真分析，结果表明，提出的方法能够对梁结构的损伤做出有效识别。     

基于车桥耦合理论的梁式桥阻尼比识别研究

提出一种基于车桥耦合动力学理论的梁式桥阻尼比识别方法. 首先按照动力学理论将测试车设计为单自由度体系, 然后利用安装在测试车上的传感器采集信号, 从测试车与桥梁接触点响应信号中得到梁式桥响应的信号, 基于车桥耦合动力学原理滤波处理得到包含梁式桥第一阶频率的信号, 最后假定梁式桥阻尼比值, 通过假定的梁式桥阻尼比值获取假定的梁式桥第一阶振型, 不断循环直至假定的阻尼比值下计算的第一阶振型最大值点居中, 即为识别的梁式桥真实阻尼比. 本文首先从车桥耦合动力学理论推导上说明了该方法的可行性, 然后考虑在不同车速与非恒定车速、路面粗糙度、环境噪音等影响因素下进行车桥耦合动力学模型分析, 最后通过实桥试验进行了初步验证. 研究结果表明: 该方法能一定程度上克服外界不利因素的影响, 达到识别梁式桥阻尼比的目的, 为识别梁式桥阻尼比提供一种更优方法, 其具有参数设置较少、操作简单方便以及更高测试精度等优点, 同时有助于推动基于车桥耦合的车桥耦合动力学理论技术在梁式桥模态参数识别工作中的实际工程应用.