基于反饋控制與統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)研究.pdf

1、隨著航空、航天、海洋、橋梁和軍事裝備等領(lǐng)域的重要大型工程結(jié)構(gòu)的不斷修建及已建結(jié)構(gòu)的大批老化，從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，無損檢測(cè)技術(shù)的研究受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工程界越來越多的關(guān)注，并已進(jìn)行了一些工程實(shí)踐探索。其中，基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)具有信號(hào)便于提取、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，其工程應(yīng)用前景良好，已成為研究的核心內(nèi)容之一。然而，隨著研究的深入和實(shí)際工程應(yīng)用的需求，許多基于振動(dòng)的損傷識(shí)別方法顯露出了一些不足。本文首先對(duì)基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)

2、的基本理論和研究方法進(jìn)行了總結(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)對(duì)如何提高噪聲環(huán)境下?lián)p傷指標(biāo)對(duì)損傷的靈敏度與采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別進(jìn)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(duì)剛度的靈敏度。在此基礎(chǔ)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(diǎn)，提高了多自由度耦合系統(tǒng)的特征頻率對(duì)結(jié)構(gòu)剛度變化的靈敏度。以損傷前后閉環(huán)系統(tǒng)特征頻率構(gòu)造損傷識(shí)別指標(biāo)，采用假設(shè)檢驗(yàn)法判斷損傷是否發(fā)生。假設(shè)檢驗(yàn)法能夠克

3、服隨機(jī)噪聲對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確性的影響，并且由于采用反饋控制提高了頻率對(duì)損傷的靈敏度，該方法對(duì)于噪聲環(huán)境下較小程度損傷的存在性識(shí)別具有一定的優(yōu)勢(shì)。
　　 ⑵在提高頻率對(duì)損傷靈敏度的基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法進(jìn)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(diǎn)；然后以損傷前后閉環(huán)系統(tǒng)特征頻率構(gòu)造特征向量；通過矩陣攝動(dòng)理論，推導(dǎo)了對(duì)該特征量進(jìn)行歸一化的方法，最后采用多元統(tǒng)計(jì)分析的Mahalanobis距離作為判別函數(shù)來識(shí)別損

4、傷位置。
　　 ⑶提出了一種采用隨機(jī)載荷作用下的結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)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(dǎo)致的自回歸參數(shù)的變化與損傷系數(shù)變化之間的關(guān)系；通過求解損傷系數(shù)向量來識(shí)別損傷位置和損傷程度。該方法與其它基于時(shí)域響應(yīng)的損傷識(shí)別方法相比，其最大優(yōu)勢(shì)在于能夠僅利用單個(gè)傳感器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行損傷識(shí)別，因此對(duì)于傳感器位置和數(shù)量的選擇上有較大的靈活性，尤其對(duì)于大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)如海洋平臺(tái)

5、結(jié)構(gòu)，該方法能夠降低損傷識(shí)別的難度和測(cè)試成本。
　　 ⑷推導(dǎo)了自回歸參數(shù)對(duì)單元?jiǎng)偠葥p傷系數(shù)的靈敏度表達(dá)式。提出通過合理配置系統(tǒng)極點(diǎn)能夠在一定程度上提高自回歸參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度變化的靈敏度，從而提高損傷識(shí)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(yīng)的時(shí)序模型，以自回歸參數(shù)建立均值控制圖，通過監(jiān)測(cè)自回歸參數(shù)的統(tǒng)計(jì)性變化判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。該方法僅需結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)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(duì)于早期損

6、傷能夠及時(shí)診斷，適用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
　　 ⑸以一梁結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用控制圖進(jìn)行損傷存在性識(shí)別的有效性和可行性。
　　 本文將控制理論和統(tǒng)計(jì)方法綜合運(yùn)用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，從理論和方法上進(jìn)行了較深入地研究。其研究成果為提高損傷識(shí)別方法的抗噪聲能力、提高損傷識(shí)別指標(biāo)對(duì)損傷的靈敏度以及基于時(shí)域響應(yīng)的損傷識(shí)別方法的研究提供了新的研究思路和