基于振型差小波变换的结构损伤检测方法

小波变换具有在时域和频域内表征信号局部特性的能力,能够在不同尺度下对结构响应中的突变信号进行放大和识别。在位移模态振型的基础上,提出了一种基于小波变换的结构损伤检测方法。将损伤前后结构的位移模态振型差作为原始信号进行小尺度小波变换,通过损伤前后位移模态振型差小波变换系数的变化,可判定损伤存在,确定损伤位置。并通过悬臂梁和海洋平台的数值模拟对该方法进行了验证。     

基于小波分析的简支梁桥损伤识别

提出了基于小波子带信号能量曲率变化的损伤识别方法。分别对完好和损伤状态下结构的振动响应进行二进离散小波变换,通过信号子带分解与重构将响应分解到不同频带,使叠加的模态响应分离。定义了信号相对能量曲率差损伤指标,利用该指标对结构的损伤进行识别定位。应用此方法对一简支梁桥进行损伤数值分析,结果表明:二进离散小波变换可以对结构振动响应中叠加的多阶模态信息进行有效分离;信号相对能量曲率差指标可以对损伤进行有效识别,且不受激励位置及荷载大小影响。最后通过模型实验验证了该方法的正确性及可行性。     

改进的小波包能量指标在结构损伤识别中的应用

小波包分析采用时域和频域结合的方法对振动信号进行分析,在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。大量研究成果表明小波包能量和模态柔度都对局部损伤变化非常敏感,通过离散小波包分解对冲击荷载作用下结构振动响应加速度信号进行各频带的分解与重构,在模态柔度曲率差思想的基础上,定义相对小波能量柔度曲率差损伤指标,对损伤进行定位。通过连续梁的数值模拟及连续梁的试验验证,并与仅基于相对小波包能量曲率差的方法进行比较,进一步说明该方法的可行性。     

基于曲率模态的空间刚架结构损伤识别的研究

应用Ansys建立空间刚架结构无损伤和有损伤的有限元模型,选取曲率模态作为损伤标示量应用于结构损伤识别。对空间三维曲率模态进行比较分析,结果表明,一阶曲率模态能够很好的对单一或多个损伤位置进行识别,且轴向曲率模态比横向曲率模态更适用于损伤识别。一阶曲率模态也可以对损伤程度进行初步判断,为探索通过曲率模态识别空间钢结构损伤提供一种可行的方法。     

AGS结构的损伤定位仿真

为了检测先进复合材料格栅结构(AG S)的损伤所在位置,提出了通过计算结构在损伤前、后模态曲率差的方法,来进行计算和分析。建立了格栅结构在有约束条件下的有限元模型,通过AN SY S中的模态分析得到模态振型位移值,计算了结构损伤前、后的模态曲率差,通过这一指标对结构的损伤进行辨识,并分析了采用多阶模态的计算效果。结果表明,通过第1阶模态振型模态曲率差的计算,可对单损伤状况做出有效的检测;对于多损伤工况,需使用前3阶模态的曲率差进行分析,才能有效检测损伤的位置。     

基于小波方法的板结构损伤识别研究

进行不同边界条件下板结构损伤位置和大小的评估以及传感器布置和噪音对损伤识别影响研究。主要内容包括:首先,通过薄板结构的有限元模态分析,获取有无损伤板结构点的固有特性参数的分布状况,利用离散小波变换将矩形薄板的模态节点位移数据进行分解计算,获得损伤位置数据的高频信息和奇异值。其次,进行不同边界条件下的板结构损伤识别分析,利用小波系数的最大值变化率进行板结构损伤程度的定量化评估。最后,分析了传感器布置以及噪音情况下小波变换方法对板结构损伤识别的有效性。研究结果表明,四边固支约束下的小波系数比四边简支约束的小波系数大0.5%,比两边固支约束的小波系数大0.88%;在网格g=40 mm且通过小波变换对信号进行去噪处理之后都能够有效识别板结构损伤。说明该方法针对二维板结构损伤位置及程度的识别问题具有一定的有效性,能够为车辆结构损伤识别问题提供技术思路和参考价值。     

运用曲率模态技术的木梁损伤定量识别

为对木结构构件局部缺陷进行有效检测,结合试验模态分析和有限元模拟方法,对含不同位置、大小和数量孔洞缺陷的木梁进行研究,计算其第1阶位移模态振型和曲率模态,分析木梁损伤前后的曲率模态变化,探讨模态分析方法在木材缺陷检测中的适用性.研究结果表明:曲率模态是一个对木梁损伤比较敏感的参数,可用于对孔洞位置、大小及数量进行定量的估计;通过降低有限元模型局部单元的弹性模量能够较好地模拟木梁损伤,有限元模态分析和试验模态分析得到的位移模态振型及曲率模态吻合均较好,验证了模态分析对木梁无损检测是一种有效的方法.     

基于HHT的钢筋混凝土结构损伤检测新方法分析

针对混凝土结构损伤信号的特点,引入一种非平稳信号的时频分析新方法--希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang变换,简称HHT)用于混凝土结构损伤检测.该方法是通过经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)提取信号的固有模态函数(intrinsic mode function, IMF),再进行Hilbert变换,求瞬时频率、瞬时振幅,得到信号的Hilbert谱.试验中通过对无损伤和有损伤两种钢筋混凝土梁进行侧向激振检测,对无损伤信号和损伤信号谱特征进行比较分析,结果表明HHT方法能识别结构损伤,且优于常规的Fourier变换方法及小波变换(wavelet transform, WT)方法,值得推广.     

小波变换在早期损伤识别中的应用

提出了小波变换用于早期损伤的识别的方法.对小波理论做了简介,并通过仿真实验验证小波变换对损伤识别的能力.通过观察连续小波变换(CWT)的小波系数的模极大值或者离散小波变换(DWT)中的细节信号,识别动(静)态信号中的奇异值,从而判别出损伤的位置.此方法仅需要有损伤的结构的响应信号,不需要未损伤结构的响应信号及其结构信息,所需的信号可以是静态的,也可以是动态的.将该方法应用到带裂纹的悬臂梁有限元模型,通过瞬态、静力分析采集信号,精确定位裂纹的位置和数量.与传统方法相比,该方法不仅可行性强,经济方便,而且检测结果更为精确可靠.仿真实验表明,小波变换的方法是有力可靠的结构早期损伤识别方法.     

基于曲率模态与柔度曲率的损伤识别

以含两条裂纹的两端固定梁为例,采用曲率模态差和模态柔度曲率差来检测结构的损伤。首先将梁的裂纹模拟为无质量的等效扭转弹簧,推导了裂纹梁的特征微分方程,利用边界条件和裂纹位置的连续性条件推导得到该裂纹梁的振形函数解析表达式。然后用中心差分法分别求解裂纹梁损伤前后的曲率模态值和模态柔度曲率值,利用其差值确定梁的损伤位置,进而确定损伤程度。最后讨论了曲率模态和柔度曲率对结构损伤识别的敏感性。     

连续小波变换在梁结构损伤诊断中的应用研究

为了检测出梁中的裂缝或因刚度降低引起的损伤,对有损伤简支梁的振型曲线进行连续小波变换．从小波系数出现模极大值有效地识别损伤的存在以及裂缝位置和刚度下降段的位置。基本振型是用小波变换识别裂缝的最佳振型．用损伤位置处振幅较大的振型曲线来识别最清楚,对有噪声影响的振型曲线同样可以用本文方法进行识别。通过分析和计算获得满意结果．在梁结构损伤诊断中具有较高的应用价值。     

移动荷载作用下时变简支钢桥损伤识别

针对移动荷载作用下桥梁结构振动响应信号呈现非平稳性的特点,构建新的一阶本征函数自功率谱最大值变化比和一阶本征函数小波能量变化率两个指标来识别时变结构的损伤。首先,采用小波阀值去噪法对时变结构响应信号进行去噪处理;其次,运用解析模态分解定理提取响应信号的一阶本征函数并构建一阶本征函数自功率谱最大值变化比指标来识别结构的损伤位置,在识别结构损伤位置的基础上,将损伤位置处的加速度响应信号的一阶和二阶本征函数进行线性混叠后,采用快速独立成分分析进行分离,得到更有效的一阶本征函数;最后,基于连续小波变换和时间窗思想,提出一阶本征函数小波能量变化率指标来预测结构的时变损伤。通过移动荷载作用下的时变简支钢桥试验验证所提出的损伤指标,研究结果表明,提出的两个指标能够有效识别结构的损伤位置和时变损伤。     

Structural damage detection using the combination method of EMD and wavelet analysis

The use of the combination method of empirical mode decomposition(EMD) and wavelet analysis is explored for the detection of changes in the structural response data. Firstly, we adopt the EMD technique to decompose the response signal of structure vibration into several mono-component signals which become analytic signal by means of Hilbert transform. Then each mono-component signal is analysed via wavelet transform to detect the exact location and severity of damage. The results demonstrate that the combination method of EMD and continuous wavelet transform can be used to identify the time more sharply and effectively at which structural damage occurs than by using the wavelet transform method alone. The numerical simulation and the analysis of the response signal data from the shear building show that this method is effective.     

采用EEMD和WPT的结构损伤特征提取方法

为了解决传统小波或小波包变换方法对结构损伤振动信号频率分辨率不高、易受邻近谐波交叠影响的问题,提出了一种基于聚类经验模式分解(EEMD)和小波包变换(WPT)的结构损伤特征提取方法.首先对原始信号进行EEMD分解,提取包含结构损伤信息的固有模式分量(IMF),再对其进行正交小波包分解,并计算小波包相对能量分布.该方法用于美国土木工程师学会(ASCE)提出的钢结构框架的损伤特征提取,结果表明:EEMD方法具有白噪声的剔除特性,可避免模式混叠的发生;不同检测节点处不同损伤工况的IMF小波包相对能量分布有显著的差异,可以作为一种理想指标表征结构损伤特征.     

基于VMD-HHT边际谱的水工结构损伤诊断

为了准确识别水工结构的损伤,提出一种变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)和Hilbert-Huang变换(Hilbert-Huang transform,简称HHT)边际谱相结合的水工结构损伤诊断方法。首先,采用联合的小波阈值和经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)降噪方法对原始信号进行降噪,减小环境噪声对结构损伤特征信息的干扰;其次,运用方差贡献率数据融合算法对降噪后各测点信号进行动态融合,提取结构完整的振动特性信息;然后,采用VMD方法将动态融合信号分解为一系列固态模量(intrinsic mode function,简称IMF),对各IMF分量进行Hilbert变换,求出融合信号的边际谱;最后,在VMD边际谱的基础上提取一种新的损伤特征向量-损伤灵敏指数,将其与马氏距离相结合对水工结构的损伤类型进行分类,并将该方法应用于悬臂梁模型试验。结果表明:该方法能够有效提取水工结构的损伤特性,准确识别水工结构的损伤和运行状态,为水工结构的安全运行提供了基础。     

基于小波包样本熵的连续梁桥损伤识别

为了减少现行桥梁检测中所需布置传感器数量,将小波包分解和样本熵有机结合起来,对利用单点动力响应数据检测识别连续梁桥结构损伤的新方法进行了研究,笔者提出了连续梁桥结构的损伤识别指标和方法。利用小波包变换对移动荷载作用下桥梁的加速度响应进行分解和重构,计算重构信号的样本熵值,建立了对数加速度能量差小波包样本熵损伤识别指标;并通过三跨变截面连续梁桥的动力仿真分析,验证了指标和方法的适用性与噪声鲁棒性。研究结果表明,笔者所提出指标和方法仅利用桥上一个测点的加速度响应就能够很好地识别连续梁桥的损伤位置和损伤程度,且对噪声不敏感。     

基于强迫振动响应的结构损伤识别

为了识别结构的损伤位置和损伤程度,利用结构在多个脉冲激励下的强迫振动响应数据,把结构在损伤前后的响应数据相减,并对它们的差值求曲率,最后通过ANSYS有限元软件对具有不同损伤程度的固支梁进行仿真,并对其强迫响应数据按上面方法处理后,所得结果能判断出梁损伤的位置和损伤程度的大小,说明此方法是有效的。     

Wigner-Ville分布复小波相似性评价及应用

针对常规特征量对轴承早期故障不敏感问题,基于不同状态下振动信号时频分布的结构差异,融合WignerVille时频分析和复小波变换的优点,提出了基于复小波变换的Wigner-Ville时频分布相似性评价指数(WignerVille distribution-complex wavelet structural similarity,简称WVD-CWSS),实现时频分布相似性的定量评价,并用于轴承早期状态评估。首先,对振动信号进行Wigner-Ville时频分布;其次,进行复小波变换,获取不同状态下的二维时频分布结构相似性复小波指数;最后,对滚动轴承全寿命试验数据进行了对比试验。结果表明,所提取的WVDCWSS特征对滚动轴承的早期损伤更敏感。