基于反饋控制與統(tǒng)計分析的結構損傷識別技術研究.pdf

1、隨著航空、航天、海洋、橋梁和軍事裝備等領域的重要大型工程結構的不斷修建及已建結構的大批老化，從上個世紀70年代開始，無損檢測技術的研究受到國內外學術和工程界越來越多的關注，并已進行了一些工程實踐探索。其中，基于振動的結構損傷識別技術具有信號便于提取、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，其工程應用前景良好，已成為研究的核心內容之一。然而，隨著研究的深入和實際工程應用的需求，許多基于振動的損傷識別方法顯露出了一些不足。本文首先對基于振動的結構損傷識別技術

2、的基本理論和研究方法進行了總結和分析，在此基礎上重點對如何提高噪聲環(huán)境下?lián)p傷指標對損傷的靈敏度與采用結構振動的時域響應數(shù)據(jù)進行損傷識別進行了研究。主要研究工作包括：
　　 ⑴從理論上證明了反饋控制能夠提高頻率對剛度的靈敏度。在此基礎上，采用基于模態(tài)空間控制的反饋控制合理配置系統(tǒng)極點，提高了多自由度耦合系統(tǒng)的特征頻率對結構剛度變化的靈敏度。以損傷前后閉環(huán)系統(tǒng)特征頻率構造損傷識別指標，采用假設檢驗法判斷損傷是否發(fā)生。假設檢驗法能夠克

3、服隨機噪聲對識別準確性的影響，并且由于采用反饋控制提高了頻率對損傷的靈敏度，該方法對于噪聲環(huán)境下較小程度損傷的存在性識別具有一定的優(yōu)勢。
　　 ⑵在提高頻率對損傷靈敏度的基礎上，采用統(tǒng)計模式識別方法進行損傷定位的研究。采用基于模態(tài)空間控制的反饋控制法合理配置系統(tǒng)極點；然后以損傷前后閉環(huán)系統(tǒng)特征頻率構造特征向量；通過矩陣攝動理論，推導了對該特征量進行歸一化的方法，最后采用多元統(tǒng)計分析的Mahalanobis距離作為判別函數(shù)來識別損

4、傷位置。
　　 ⑶提出了一種采用隨機載荷作用下的結構時域響應數(shù)據(jù)進行損傷識別的新方法。其主要原理是建立基于自回歸參數(shù)的損傷靈敏度矩陣，該矩陣建立了由單元損傷導致的自回歸參數(shù)的變化與損傷系數(shù)變化之間的關系；通過求解損傷系數(shù)向量來識別損傷位置和損傷程度。該方法與其它基于時域響應的損傷識別方法相比，其最大優(yōu)勢在于能夠僅利用單個傳感器的響應信號進行損傷識別，因此對于傳感器位置和數(shù)量的選擇上有較大的靈活性，尤其對于大型的復雜結構如海洋平臺

5、結構，該方法能夠降低損傷識別的難度和測試成本。
　　 ⑷推導了自回歸參數(shù)對單元剛度損傷系數(shù)的靈敏度表達式。提出通過合理配置系統(tǒng)極點能夠在一定程度上提高自回歸參數(shù)對結構剛度變化的靈敏度，從而提高損傷識別正確率的新思路。其基本過程為，建立閉環(huán)系統(tǒng)加速度響應的時序模型，以自回歸參數(shù)建立均值控制圖，通過監(jiān)測自回歸參數(shù)的統(tǒng)計性變化判斷結構是否發(fā)生損傷。該方法僅需結構的時域響應數(shù)據(jù)，并且由于反饋控制使得自回歸參數(shù)靈敏度的提高，因此對于早期損

6、傷能夠及時診斷，適用于結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)。
　　 ⑸以一梁結構為實驗對象，測量了完好梁和損傷梁的傳遞函數(shù)和模態(tài)頻率，并分析了損傷前后系統(tǒng)特性的變化。實驗驗證了采用控制圖進行損傷存在性識別的有效性和可行性。
　　 本文將控制理論和統(tǒng)計方法綜合運用于結構的損傷識別，從理論和方法上進行了較深入地研究。其研究成果為提高損傷識別方法的抗噪聲能力、提高損傷識別指標對損傷的靈敏度以及基于時域響應的損傷識別方法的研究提供了新的研究思路和