基于振动测试与小波包分析的结构损伤预警

将结构振动测试技术与小波包分析相结合，提出对振动激励信号与响应信号分别 进行小波包分解并在此基础上计算结构的小波包脉冲响应函数及其小波包能量谱，用以表征 结构动力系统的损伤状态. 通过一钢筋混凝土板静力承载力的振动试验分析，计算该板在不 同受力阶段的小波包脉冲响应函数及其小波包能量谱，在此基础上对板不同受力阶段的损伤 状态进行了判别. 该方法克服了结构动力响应的小波包能量谱不能反映结构损伤状态的缺 点，试验表明所采用的方法是可行的.     

一种新的小波及其在结构损伤检测中的应用

结构受冲击将引起某些部位的震荡、裂纹甚至断裂,从而导致结构刚度下降.此时振动信号会出现奇异性或携带突变信息,而这些突变信息反映了结构的损伤情况.加之冲击信号测试环境一般较为复杂,环境噪声对测试存在一定的影响.然而,利用合理的小波变换技术去噪可以识别出损伤情况.本文通过对冲击振动的信号特性进行分析构造了一种新的基本小波,并论证了该小波的基本特征.最后运用小波分析的信号奇异检测理论结合实例将该小波用于冲击振动仿真分析中.计算结果表明,利用该小波进行结构损伤信号分析能清晰地识别结构损伤的时刻.采用该小波函数的构造方法,可避免通常采用Daubechies系列小波作为信号分析而要繁琐地选择不同小波函数的过程.     

结构损伤的小波分形神经网络检测

用神经网络进行结构损伤检测、分析的有效性在很大程度上取决于训练样本的好坏。小波变换在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力,小波包分析利用可以伸缩和平移的可变视窗能够聚焦到信号的任意细节,因此对有损伤的结构的非线性动力特性能进行有效的分析。利用分形几何方法不依赖于系统的数学模型的特点,将分形维数与小波分析相结合,建立了结构损伤的小波分形神经网络检测方法。研究结果表明,结构不同状态下的振动信号的各频段分形维数有明显的不同,可以将振动信号的各频段分形维数作为结构损伤检测的特征量,并用神经网络将结构的不同状态模式识别出来。     

基于损伤诱导矢量及元素位置矢量诊断结构损伤

通过引入损伤诱导矢量和元素位置矢量,作者构造一种采用模态测试数据诊断结构损伤的新方法。利用损伤诱导矢量能迅速排除无损伤元素,缩小识别范围。这里认为结构损伤是由一个或多个元素的损伤引起的,采用元素损伤矢量ｈ１＝（ａｉ,ｂｉ,ｃｉ）描述元素ｉ及损伤程度及类型。该方法构造简单,能大幅度降低计算量。文中以浅拱为例,给出各种损伤情况与下的诊断结果,以说明其有效性。     

环境激励下基于小波包分析的结构损伤预警方法

将环境荷载激励技术与小波包分析相结合,提出对环境激励下的结构动力响应计算虚拟脉冲响应函数并在此基础上计算结构的小波包能量谱及其损伤预警指标,用以表征结构动力系统的损伤状态.通过Benchmark试验模型模拟结构的多种损伤状态,采集模型在环境激励下结构损伤前后的动力响应,计算了结构损伤预警的小波包能量谱及其损伤预警指标.试验结果表明,环境激励下基于小波包能量谱的结构损伤预警指标具有良好的损伤预警能力,可以准确地判定结构初期损伤的发生.     

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。     

改进的布谷鸟算法在结构损伤识别中的应用

布谷鸟算法受自然界中布谷鸟寻找鸟窝产卵过程启发而提出,其参数设置简单且效率高。为了平衡布谷鸟算法的求解速度和精度,提高算法的全局搜索能力,本文应用动态步长和锦标赛选择策略对原算法进行性能改进,并将其应用于结构损伤识别。在数值模拟中,选取频率等系统参数建立用于结构损伤识别的目标函数。基于改进的算法求解目标函数。最后分析得出结构损伤情况。数值结果显示,改进后算法准确识别损伤单元,并对噪声不敏感;验证了其有效性和实用性,可进一步应用于工程。     

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。     

结构紧固连接件损伤的神经网络诊断研究

在结构紧固连接件损伤诊断中采用了函数连接型神经网络。与常用的ＢＰ网络不同，函数连接网络通过对输入模式的增强来实现复杂模式的分类。它借助某种函数变换，将原始的模式特征向量变换成另一个更高维的形式，使原始空间里不能区分的类别，在这个高维空间中得以区分，减少了神经网络的层数，提高了网络的学习速度。诊断时选用正弦激振下结构中多个位置上传感器稳态响应的幅值构成表征损伤的特征向量，简化了特征提取的过程。数值模拟和实验结果表明，这一方法能对多个位置的损伤进行准确的识别     

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。     

Investigation of Damage in Composites Using Nondestructive Nonlinear Acoustic Spectroscopy

The presented experimental work describes the nondestructive damage examination of polymer-matrix composites using acoustic methods under the consideration of nonlinear effects. The aim is to analyze these nonlinear effects in order to provide a quantification of the nonlinear acoustic transmission which is related to the damage state and its severity in the composite material. The first objective was to study the effectiveness of the distortion evaluation method and its related parameter: the “Total Difference Frequency Distortion” (TDFD) parameter. The TDFD was utilized as a new damage indicator to quantify the progressive damage state in composite materials. The TDFD method had initially been proposed to characterize the distortion of audio amplifiers. A custom-made setup was developed that imposes acoustic signals to the structure. The samples’ vibrations were afterwards analyzed by a laser vibrometer and further spectrum evaluations. The developed method was applied to two composite materials, both reinforced with taffeta woven glass-fibers, but having different thermoset polymer matrix, i.e. vinylester and epoxy. The damage was introduced in the specimen by tensile tests with a stepwise increase of the tension loading. It was observed that damage influences the intensity of nonlinear intermodulation after having introduced two harmonic and constant signals of different and randomly chosen frequencies in the specimen. The nonlinear intermodulation was then quantified by computing the TDFD parameter. In the specific case of epoxy based composites, high frequency peaks were noted for the high tensile loading levels only. The TDFD parameter was then modified in order to take into account this effect. For both studied composites, the modified TDFD parameter increases with the damage accumulation caused by the applied stepwise tensile loading.     

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.     

Damping of Structural Vibration Using Lightweight Granular Materials

An investigation of the vibration damping capability of granular treatments is presented. Cavities in aluminum and sandwich beams were filled with the lightweight particles made of polyimide. For analysis of vibration damping, the complex stiffness of structures before and after damping treatment was measured. Particles of different sizes, weights and polymer composition were used in the damping treatments. Large, frequency-dependent variations in structural loss factor depending on the types of particles were observed. This behavior was predicted by the Rayleigh-Ritz method. The frame wave propagation characteristics of the particles were measured and used in the numerical simulation. The acoustic–structure interaction between particles and structures enhances the dissipation of vibration energy.     

摩擦振动信号谐波小波包特征提取

在销-盘摩擦磨损试验机上进行了船用柴油机缸套-活塞环摩擦配副摩擦磨损试验,应用谐波小波包变换分析了不同磨损状态下的摩擦振动信号.结果表明:谐波小波包变换可提取微弱的摩擦振动特征.当磨损机制为轻微的黏着磨损时,摩擦振动信号的频谱以边频为主,没有明显的固有频率,平均幅值小;当磨损机制以磨粒磨损为主时,摩擦振动信号的频谱出现较大峰值的固有频率,但仍存在大量的边频,平均幅值变大;当磨损机制以疲劳磨损为主时,摩擦振动信号频谱的固有频率更加明显,边频显著减弱,平均幅值最大.因此,谐波小波包变换可实现微弱摩擦振动信号的特征提取.     

Damage Assessment of Reinforced Concrete Structures Using Fractal Analysis of Residual Crack Patterns

Currently, assessing the performance and safety of reinforced concrete structures relies on routine-based visual inspection (VI). Cracks width measurements are commonly used as a convenient indicator of damage; however other factors, such as distribution and pattern of the cracks should be considered equally important in measuring the extent of damage present in the structure. As a result, condition assessed by VI is subjective in nature and depends on the experience, knowledge, expertise, and judgment of the inspector carrying out the assessment. A new approach based on the fractal analysis of residual crack patterns is proposed in this paper to assess the structural integrity of reinforced concrete elements. A new damage index is presented to quantitatively perform a damage classification. The methodology is validated through experimental studies on two large-scale reinforced concrete shear walls subjected to a displacement controlled reversed cyclic loading. Damage grades are also identified based on width of cracks and proposed damage index (DI). The results demonstrate a more accurate estimation of damage grades using DI. Furthermore, it is demonstrated that the DI can estimate the relative stiffness loss of the specimens with acceptable accuracy.     

飞机结构振动监测用微型测试系统研制

飞行过程中各种扰动气流容易导致飞机薄壁结构发生振动疲劳破坏,严重影响飞机的安全性和出勤率。针对受扰动气流作用下飞机结构的振动安全监测对仪器提出的微型化要求,基于STM32F103芯片设计了微型振动测试系统及配套软件。测试系统样机体积小,重量约160g,由内置加速度传感器触发采集,3个应变通道的采样率可达10K/s,以高速SD卡为存储器实现数据的便携取用,不依赖飞机电源系统而用安全性高的锂聚合物电池供电。采用LabVIEW编写的数据分析处理软件包含时域分析、频域分析及时频联合分析等功能。通过悬臂梁固有频率及自由衰减振动实验对测试系统进行功能验证测试,结果表明系统可满足对结构振动信号的采集和分析。