基于改进L-P小波的时变模态参数识别方法

研究了基于改进Littlewood-Paley(L-P)小波变换的结构时变模态参数识别方法.用改进的L-P小波对结构动力响应信号进行小波变换,由能量较大的频带所对应的尺度识别结构基本频率及其随时间的变化情况;由某时刻各自由度响应在各阶频率对应尺度上的小波系数的比值识别结构的各阶振型.针对剪切型框架结构,利用识别的频率变化判断结构是否发生损伤以及损伤发生的时间,通过识别损伤前后的一阶振型斜率变化判断损伤发生的位置.该方法不需要激励信息,且有较好的抗噪声能力.     

运用分量信号小波能量法识别时变结构损伤

在采用解析模态分解定理提取分量信号的基础上,对一阶分量信号进行复Morlet小波变换,并定义损伤前后一阶小波能量比值指标来识别时变结构的损伤位置,然后从损伤位置处的响应信号出发,引入滑动时间窗思想,提出归一化一阶小波能量变化指标,来预测结构损伤的演化过程。采用一个刚度突变和线性变化的三层剪切型建筑结构数值算例对提出的损伤指标进行验证,结果表明:该指标能够有效识别结构的损伤位置和时变损伤。     

基于同步挤压小波变换的时变结构损伤识别方法研究

提出一种基于同步挤压小波变换的时变结构损伤识别方法。采用小波总能量指标识别时变结构的损伤位置,然后对损伤位置处的响应信号进行同步挤压小波变换,识别其瞬时频率并重构本征函数分量信号。在此基础上,求解响应信号的模态振型参与系数比值并联合瞬时频率共同构建了一个新的时变损伤指标(TVDI)。采用一个刚度突变和线性变化的简支梁数值算例对提出的小波总能量和TVDI损伤指标进行了验证,结果表明,提出的指标能够准确地识别结构的损伤位置和时变损伤。     

基于时变模态振型小波变换的结构损伤识别方法

结构损伤是一种非线性发展过程,会导致结构模态参数的变化,因此可以通过时变模态振型特征识别损伤状况。对结构的响应信号进行小波变换,提取当小波系数模出现局部极大值时的尺度参数,利用这些尺度参数识别结构的瞬时频率。选取特定尺度参数,对结构各个节点的信号进行小波变换,将信号解耦到只含某一阶模态,通过小波系数的比值进行归一化处理,从而得到结构的瞬时振型。对结构瞬时振型差做小尺度的小波变换,通过小波系数的实部出现极大值的时间及其出现的位置识别出结构的损伤时间与损伤位置,通过极大值的大小判断损伤程度。应用一个悬臂梁和斜拉桥数值算例,证明该方法不仅能准确识别结构发生损伤的时间,而且能高精度、高效率地识别结构损伤位置和损伤程度。     

改进VMD及其在时变结构地震响应瞬时频率识别中的应用

强地震动作用下,结构动力特性因损伤将随时间变化,变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）可用于分析结构地震响应的瞬时频率变化规律,揭示地震过程中结构的损伤状态。针对人为预设分解模态数K和二次惩罚因子α参数不准确导致VMD非平稳响应出现模态混叠的问题,提出了一种改进的VMD(Improved VMD, IVMD)算法,结合Hilbert变换（HT）可准确识别非平稳地震激励下时变结构的瞬时频率。采用多重信号分类（Multiple Signal Classification, MUSIC）算法确定分解模态数K,基于整体正交系数和能量比系数构建综合目标函数,并采用樽海鞘算法（Slap Swarm Algorithm, SSA）优化确定二次惩罚因子。在优化确定K和α参数的基础上,结合IVMD和HT识别时变结构地震响应瞬时频率。典型模拟信号和地震激励下4层时变框架结构数值模拟响应表明,相比VMD算法,IVMD算法识别得到的瞬时频率精度更高;12层钢筋混凝土框架结构模型地震模拟振动台试验数据验证了所提方法的实用性。     

利用组合参数的结构损伤识别及试验研究

利用状态向量直接求导的新方法，全面地分析了基于结构振动模态参数(频率、特征向量和动柔度)关于设计参数(质量、刚度和阻尼)的相对灵敏度。该方法比传统的方法计算简单方便，而且弥补了传统方法中参数考虑不全的缺点，这样更符合实际工程。对一框架结构进行了数值模拟分析，研究表明动柔度矩阵关于结构刚度灵敏度相对于其他模态参数为最高，振型次之，频率为最小，这对选取损伤特征参数时有重要参考价值。提出由结构前几阶固有频率变化率、频率变化比值以及动柔度置信因子构成的组合参数作为神经网络的输入向量的损伤识别方法，对于多种工况进行了框架结构模型的振动试验。试验结果表明：采用组合参数训练的神经网络，对结构损伤位置和程度识别较采用单一参数具有更好的识别效果。     

基于VMD和Chirplet变换的结构损伤识别研究EI北大核心CSCD

为识别结构损伤位置及对损伤程度进行量化,提出了一种基于变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)和Chirplet变换的结构损伤识别方法。采用VMD对结构振动响应信号进行分解得到模态分量,并利用Chirplet变换对模态分量进行时频分析,构建模态分量Chirplet变换能量指标识别损伤位置,利用Chirplet时频熵量化结构损伤程度。采用一个刚度变化的简支梁数值算例对所提方法进行验证,结果表明,无论单点损伤或多点损伤,所提方法均能准确识别结构的损伤位置并量化损伤程度。     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

基于Hilbert-Huang变换的梁结构损伤识别方法研究

提出了一种基于空间Hilbert-Huang变换进行损伤识别的方法。以工程中最常用的梁结构为对象,首先从理论上分析了损伤对梁结构动力学参数的影响,揭示了损伤所带来的模态奇异性特征;然后通过EMD自适应的分解模态信号,由Hilbert变换捕获其损伤特征频率的变化,有效的识别了损伤存在时位置和损伤程度。通过数值实验,验证了空间HHT变换方法在损伤识别中具有很高的频率分辨率,同时又具备较强的抗噪性能。     

复线隧道爆破振动信号的HHT分析

结合现场采集到的爆破信号,从实践验证HHT(Hilbert-Huang Transform)理论在爆破振动信号处理中的可行性。首先采用经验模态分解(EMD)提取爆破振动信号的固有模态函数(IMF)分量,对主成分分量作Hilbert变换,提取其包络曲线,得到实际延时爆破中的延时时间。再对原始信号经EMD得到的IMF分量进行Hilbert变换,得到信号的Hilbert能量谱,并从瞬时能量的角度研究了爆破振动不同频率的能量作用机理。从而验证了HHT方法的自适应强和高效性在爆破振动信号分析中的优良特性。     

复线隧道爆破振动信号的HHT分析

结合现场采集到的爆破信号,从实践验证HHT(Hilbert-Huang Transform)理论在爆破振动信号处理中的可行性。首先采用经验模态分解(EMD)提取爆破振动信号的固有模态函数(IMF)分量,对主成分分量作Hilbert变换,提取其包络曲线,得到实际延时爆破中的延时时间。再对原始信号经EMD得到的IMF分量进行Hilbert变换,得到信号的Hilbert能量谱,并从瞬时能量的角度研究了爆破振动不同频率的能量作用机理。从而验证了HHT方法的自适应强和高效性在爆破振动信号分析中的优良特性。     

基于Hilbert-Huang变换的钢筋混凝土框架结构识别

基于HHT的利用结构自由振动响应进行系统识别的方法，只需要测得一点的响应就能得到各阶模态频率和阻尼比，通过各点的响应分析可以得到各阶振型，从而求得结构的刚度矩阵和阻尼矩阵。通过对一个4层2跨2开间的钢筋混凝土框架结构模型进行了锤击测试试验。用HHT方法识别其各阶频率、振型和各阶阻尼比，并计算得到刚度矩阵和阻尼矩阵。由识别的刚度矩阵可以看出用考虑节点转角并进行静力凝聚的杆系一层模型能较精确地反映框架结构的振动。试验数据分析还表明，当初始振幅较大时框架结构的阻尼比具有时变性，随着振幅的减小，阻尼比减小。     

改进的Hilbert-Huang变换在信号瞬态特征提取中的应用

通过对Hilbert-Huang变换(Hilbert Huang Transform,HHT)方法的机理的研究,提出了一种提取非平稳信号中瞬态特征的新方法,即正交经验模态分解(Orthaogonal Empirical Mode Decomposition,OEMD)与Hilbert变换结合法.OEMD是一种以快速带通滤波为基础的,获得同有模态函数(IMF)的新方法,其最大特点是具有严格的正交性.通过OEMD得到IMFs后,再进行Hilbert变换求得瞬时频率和幅值,便能精确检测出信号中瞬态成分的时间、频率和幅值等信息.仿真和应用结果表明,该法比原HHT方法能更加有效地提取信号的瞬态特征,并成功地解决了原HHT中存在的模态混叠、虚假模态和边界效应等问题.     

基于Hilbert-Huang变换的心率变异信号分析

提出一种基于Hilbert-Huang变换(HHT)的心率变异信号分析的新方法。心率变异分析被广泛应用于评估心脏自律功能以及疾病诊断领域。为获得更多心率信号内在特征,首先利用经验模态分解(Empirical Mode Decomposi-tion,EMD)方法将信号分解为一组固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF),运用Hilbert变换计算并分析各层IMF的瞬时频率和瞬时幅值,从而获取信号所包含的内在信息、心率变异突发时刻和变化趋势。结合积分脉冲频率调制(Inte-gral Pulse Frequency Modulation,IPFM)模型模拟出的心率信号以及真实的心率信号,利用小波分析方法以及HHT方法对心率信号进行对比分析,实验结果证明了HHT方法的可行性,显示了该方法相对于小波分析方法的优势。     

基于CEEMD-MPE-NHT的地下洞室爆破网路延时分析

爆破网路延时识别易受EMD模态混淆的影响,得到混有虚假分量的IMF。而Hilbert变换受Bedrosian定理的约束在处理此类分量会产生负值瞬时频率,造成巨大的识别误差。为解决传统HHT在爆破网路延时分析时遇到的问题,提出了CEEMD-MPE-NHT爆破网路延时分析算法。该算法通过改进EMD得到补充集合经验模态分解-多尺度排列熵(CEEMD-MPE)算法,实现EMD模态混淆抑制。再对CEEMD-MPE得到IMF进行归一化Hilbert变换,解除Bedrosian定理对Hilbert变换的约束。对蕴含能量最大的IMF分量进行包络求解,包络峰值对应的时间间隔即为爆破网路实际延时。最后通过分析实际延时和理论延时之间的差值,可判断雷管是否处于正常服役状态。进一步通过干扰降震法得到本工程最合理爆破网路延时为54.51～59.75 ms,研究结果表明：基于CEEMD-MPE-NHT的爆破网路延时分析对爆破安全控制具有重要的现实意义。     

动荷载作用下含损伤复合材料层合板承载能力

研究了含分层损伤层合板的动力响应和承载能力。基于层合板的一阶剪切理论,采用分项等参插值方法推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式,在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式;建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面联接单元,以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象;同时又采用Tsai提出的0.44刚度退化准则和动力分析的Newmark法,对含分层损伤复合材料层合板结构进行了在动荷载作用下的破坏和承载能力分析;通过典型算例,分别讨论了外载频率,分层位置,以及刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征和承载能力的影响。本文中提出的方法和得到的结论对复合材料工程设计具有参考价值。      

一种EEMD-HHT与时频重排结合的转速曲线估计新方法

HHT(Hilbert-Huang Transform)和传统时频分析存在模态混叠、时频聚焦性差等问题,在估计转速曲线时误差较大。因此,提出将EEMD-HHT与时频重排算法结合的转速曲线估计新方法。采用EEMD(Ensemble Empirical Mode Decompositon)方法获取IMFs;找出参考轴所对应的IMF,并做Hilbert变换;用时频重排算法处理该IMF两端各一定长度的数据,对得到的重排矩阵进行限制条件的瘠线搜索,并将获得的瞬时频率值代替对应时间点内Hilbert变换得到的瞬时频率值;对"拼接"得到的整个时间段的瞬时频率值进行最小二乘拟合,得到光滑的转速曲线。将该方法应用于转子不平衡故障的阶比分析中,对实际测量信号进行了分析,并与HHT估计结果作比较,验证了其优越性和有效性。     

框架结构损伤定位的比例柔度矩阵分解法试验研究

提出了基于比例柔度矩阵LU分解的结构损伤定位方法。该方法从结构振动响应入手,首先识别出结构前几阶模态振型和频率,构建结构比例柔度矩阵;然后对损伤前后的比例柔度矩阵差进行LU分解;最后基于U矩阵和曲率方法构建损伤指标对损伤进行定位。基于某20层框架结构进行了数值模拟损伤定位研究;并在实验室设计、建造一个6层集中质量剪切型框架模型,基于该模型分别进行了振动台试验和脉冲激励试验。模拟和试验下的单损伤和多损伤工况结果均表明:提出的方法能准确地对结构损伤进行定位。该方法只需要损伤前后测点的振动响应数据,不需要结构有限元模型,避免了复杂的结构有限元模型建模和模型修正工作;并且构建一个满足精确度的比例柔度矩阵只需要结构的前几阶低阶模态参数,而低阶参数的识别准确性相对较高,这些优点均为该方法的工程应用奠定了基础。     

基于强震观测和ARMAV模型的混凝土坝模态识别

采用混凝土坝的实测振动响应识别结构模态参数是进行结构动力特性研究的一种可行的方式。基于混凝土坝的强震观测数据,提出采用矢量自回归滑动平均模型(Auto-Regressive Moving Average Vector,ARMAV)和稳态图法来进行混凝土坝结构模态参数识别。研究了结构实测振动响应时间序列的ARMAV模型表达形式,并通过引入辅助变量(Instrumental Variable,IV)技术,来求解模型中的未知系数;通过研究ARMAV模型系数矩阵与结构系统矩阵的关系,以便为结构模态识别提供理论依据;根据综合了各测点观测信息的平均标准化功率谱(Average Normalized Power Spectrum Density,ANPSD)来对传统的稳态图法进行改进,以实现强震激励下混凝土坝的系统定阶和虚假模态剔除。通过一个数值算例和一个工程实例,验证了提出的基于强震观测和ARMAV模型的结构模态参数识别方法的精度、有效性和工程适用性。     

采用改进单元刚度折减系数法识别结构损伤

提出了结构损伤识别的两阶段方案,在利用改进的损伤变量进行损伤定位的基础上,采用前几阶振型扩充得到完备模态空间,结合改进的单元刚度折减系数方法进行损伤定量.分别选取了简支梁和连续梁仿真算例进行验证.结果表明在仅采用较少低阶模态的情况下,识别效果比原损伤变量和单元刚度折减系数法明显更优,能在一定噪信比下进行较准确的损伤定位和定量分析.