基于時(shí)間序列模型和主成分分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究.pdf

1、基于時(shí)間序列的損傷識(shí)別作為一種全新的研究方法,近年來得到了不斷的完善和發(fā)展,屬于結(jié)構(gòu)損傷診斷的前沿領(lǐng)域。但目前時(shí)間序列分析的應(yīng)用存在一些問題:對(duì)于簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多,對(duì)于框架、網(wǎng)架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究還比較少;基于時(shí)序分析的研究方法以往大都應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的狀態(tài)預(yù)測(cè),對(duì)于結(jié)構(gòu)的損傷定位和程度的判斷還處于發(fā)展和完善階段;線性平穩(wěn)時(shí)間序列的應(yīng)用廣泛,對(duì)于非線性時(shí)間序列的應(yīng)用很少。針對(duì)以上問題,本文擬結(jié)合框架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn),對(duì)于

2、時(shí)間序列分析法在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用作了進(jìn)一步研究。主要工作包括:
　　(1)綜述了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究情況和未來的發(fā)展趨勢(shì)。首先系統(tǒng)總結(jié)了損傷識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)不同識(shí)別方法的優(yōu)缺點(diǎn)。并根據(jù)時(shí)間序列模型和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的聯(lián)系,重點(diǎn)闡明了時(shí)間序列分析在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的基本原理。
　　(2)對(duì)時(shí)間序列模型的建模過程作了深入研究,包括對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)源的分析、結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理、模型識(shí)別、模型參數(shù)的計(jì)算和模型定階等問題。詳細(xì)闡述了

3、主成分分析法的基本原理,對(duì)其在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用背景作了介紹。
　　(3)提出了基于時(shí)間序列和主成分分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。分別采用時(shí)間序列模型參數(shù)和均方根誤差作為損傷敏感因子進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。由于損傷識(shí)別矩陣維數(shù)較高,信息出現(xiàn)重疊現(xiàn)象,采用主成分分析法對(duì)原始矩陣進(jìn)行壓縮和解釋,得到損傷敏感因子主成分矩陣,保留了原始矩陣中的有效信息,簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。針對(duì)AR、MA模型自身的局限性,本文采用ARMA模型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模

4、,采用美國(guó)LosAlamos實(shí)驗(yàn)室框架結(jié)構(gòu)模型的損傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于時(shí)間序列和主成分分析法的有效性。
　　(4)利用時(shí)間序列和主成分分析法對(duì)一個(gè)典型的雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識(shí)別數(shù)值模擬。首先基于ANSYS進(jìn)行有限元建模,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。然后在不同工況下分別采用高斯白噪聲作為激勵(lì)源,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析,獲取各節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)作為損傷識(shí)別原始數(shù)據(jù)。最后通過MATLAB健康監(jiān)測(cè)工具箱建立ARMA模型進(jìn)行損傷識(shí)別,并考慮了結(jié)

5、構(gòu)響應(yīng)在不同噪聲水平干擾下的變化。研究結(jié)果表明網(wǎng)架結(jié)構(gòu)損傷單元節(jié)點(diǎn)處的損傷敏感因子DSF值遠(yuǎn)大于未損傷單元節(jié)點(diǎn),定位效果顯著,進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。
　　(5)針對(duì)ARMA模型在非線性損傷識(shí)別中的所存在的問題,基于美國(guó)LosAlamos實(shí)驗(yàn)室框架結(jié)構(gòu)模型的損傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用條件異方差GARCH模型進(jìn)行建模識(shí)別。將兩種模型的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,研究結(jié)果表明GARCH模型在非線性損傷識(shí)別中受外界環(huán)境干擾較小,計(jì)算方便,對(duì)于