泄流結(jié)構(gòu)水力拍振機(jī)理及動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、我國重大水利水電工程的壩高、泄量、泄洪功率均居世界領(lǐng)先水平。由于高速水流、水氣二相流、水流——結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性,使得泄流結(jié)構(gòu)在長期泄流荷載作用下極易發(fā)生疲勞或振動(dòng)破壞。因此,開展水流誘發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)機(jī)理、泄流結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)頻分析、濾波降噪、工作性態(tài)識(shí)別以及泄流結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域的研究,對(duì)泄流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)作用。本文主要開展以下三個(gè)方面的研究:
　　(一)泄流結(jié)構(gòu)水力拍振機(jī)理研究。在總結(jié)分析泄流結(jié)

2、構(gòu)水流荷載特性的基礎(chǔ)上,應(yīng)用時(shí)域分析、頻譜分析以及時(shí)頻分析方法,研究了沖擊荷載、諧波激勵(lì)荷載、寬帶隨機(jī)荷載以及白噪聲荷載激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。通過開展泄流結(jié)構(gòu)原型觀測(cè)、流激振動(dòng)系列模型試驗(yàn)以及有限元計(jì)算,分析了水流荷載、泄流結(jié)構(gòu)自身特性以及流激振動(dòng)響應(yīng)三者之間的關(guān)系,首次提出并解釋了泄流結(jié)構(gòu)的水力拍振現(xiàn)象,總結(jié)了泄流結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制。(1)建立一系列室內(nèi)流激振動(dòng)模型試驗(yàn),將相關(guān)性分析、譜分析以及時(shí)頻分析方法應(yīng)用到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過程

3、中。通過分析不同固有頻率的試件在水流荷載作用下的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性,研究了泄流結(jié)構(gòu)在水流荷載作用下的隨機(jī)共振形式,提出水力拍振的概念;(2)分析二灘拱壩在泄流荷載作用下,壩身不同部位的振動(dòng)響應(yīng)機(jī)理,解釋響應(yīng)中出現(xiàn)的水力拍振現(xiàn)象以及在此基礎(chǔ)上形成的拍振現(xiàn)象,為高拱壩體型設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供依據(jù);(3)根據(jù)水力拍振理論和二灘、蜀河、炳靈等水電站的原型觀測(cè)分析,明確了水力拍振現(xiàn)象發(fā)生的各種情況,較全面地總結(jié)了泄流結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)的形成機(jī)制。
　

4、　(二)基于時(shí)頻分析的泄流結(jié)構(gòu)濾波降噪及工作性態(tài)識(shí)別方法研究。針對(duì)環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)辨識(shí)方法要求激勵(lì)荷載必須滿足白噪聲的特性、且不能在時(shí)頻域同時(shí)進(jìn)行識(shí)別的缺點(diǎn),本文開展了基于時(shí)頻分析的泄流結(jié)構(gòu)濾波降噪和工作性態(tài)識(shí)別方法研究。(1)根據(jù)HHT時(shí)頻分析的特點(diǎn),研究了泄流結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中與模態(tài)信息相關(guān)的共振分量的提取方法,直接應(yīng)用共振分量進(jìn)行工作性態(tài)識(shí)別,能夠避免受迫振動(dòng)分量對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響;(2)通過研究EMD與小波閾值聯(lián)合的濾波降噪方法,提出

5、了含噪信號(hào)EMD分解后各分量中噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的確定方法,解決了小波閾值計(jì)算中噪聲標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算難的問題;(3)研究了基于時(shí)頻分析的泄流結(jié)構(gòu)工作性態(tài)識(shí)別方法,并將該方法應(yīng)用于二灘水電站拱壩和映秀灣水電站攔河閘結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)中,取得了較好的效果。
　　(三)泄流結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。針對(duì)現(xiàn)有健康監(jiān)測(cè)方法存在的不足,本文開展了泄流結(jié)構(gòu)損傷敏感特征指標(biāo)以及融合決策方法研究。(1)研究和總結(jié)了基于波形、標(biāo)準(zhǔn)差、時(shí)間序列模型、正則化頻率變化率

6、,時(shí)頻域指標(biāo)、坐標(biāo)模態(tài)準(zhǔn)則、模態(tài)振型與頻率、模態(tài)曲率等損傷敏感指標(biāo),建立泄流結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系;(2)研究了基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的決策計(jì)算方法,針對(duì)D-S證據(jù)理論合成規(guī)則存在的不足,引入Jousselme距離和證據(jù)可信度,改進(jìn)了D-S證據(jù)理論的組合規(guī)則。泄流激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的損傷模型試驗(yàn)結(jié)果表明,文中方法避免了單一損傷指標(biāo)由于傳感器自身?xiàng)l件、噪聲等因素所引起的誤判斷,有效地降低了錯(cuò)誤證據(jù)對(duì)最終融合結(jié)果的影響,適用于泄流結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)健康監(jiān)測(cè)過程中