【摘要】：近年來,結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在保證土木結(jié)構(gòu)安全、避免災(zāi)難事故等方面發(fā)揮了重要的作用,但其核心技術(shù)之一的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)仍然離實(shí)際工程需求有較大的差距,已成為限制健康監(jiān)測系統(tǒng)功能的主要瓶頸。因此,進(jìn)一步深入研究適合大型土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識別方法具有十分重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。在眾多的損傷識別方法中,擴(kuò)展卡爾曼濾波方法作為一種時(shí)域損傷識別方法,可以采用狀態(tài)空間方法在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)濾波器,能夠通過遞推計(jì)算得到系統(tǒng)參數(shù)的線性最小方差估計(jì),具有良好的魯棒性,從而受到了廣泛的關(guān)注;但其應(yīng)用時(shí)仍存在雅可比矩陣計(jì)算復(fù)雜、線性化誤差大、反問題強(qiáng)不適定性影響大等問題。為解決傳統(tǒng)擴(kuò)展卡爾曼濾波方法存在的缺陷,本文中將無跡卡爾曼濾波算法(UKF)引入到結(jié)構(gòu)的損傷識別研究中。借助UT變換技術(shù),本文算法不僅可以考慮非線性系統(tǒng)的高階項(xiàng),還避免了雅可比矩陣的大量計(jì)算;進(jìn)而從改善損傷識別反問題求解不適定性、提高系統(tǒng)預(yù)測方程計(jì)算精度兩方面,提出了適于結(jié)構(gòu)損傷識別的無跡卡爾曼濾波算法,并通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文算法的有效性。具體研究工作包括以下幾個(gè)內(nèi)容:(1)傳統(tǒng)卡爾曼濾波類算法通常需要結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)的位移與速度來構(gòu)建系統(tǒng)狀態(tài)向量。隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加,狀態(tài)向量維數(shù)隨之增長,進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算過于復(fù)雜;為此,本文提出了基于模態(tài)坐標(biāo)變換與模態(tài)截?cái)嗨枷氲腢KF狀態(tài)向量定義方法,即利用模態(tài)坐標(biāo)初值和結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)構(gòu)建UKF狀態(tài)向量,在經(jīng)過模態(tài)截?cái)嗵幚砗?狀態(tài)向量維數(shù)顯著降低,并根據(jù)此狀態(tài)變量定義推導(dǎo)了相應(yīng)的UKF遞推計(jì)算方程組。(2)提出了結(jié)合L1范數(shù)正則化的無跡卡爾曼濾波方法。損傷識別作為典型的動(dòng)力學(xué)反問題,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu),其反演計(jì)算存在強(qiáng)不適定性。在UKF迭代過程中,反演計(jì)算本身的不適定性易導(dǎo)致狀態(tài)向量協(xié)方差矩陣無法保持為正定矩陣,使得迭代過程發(fā)散。為此,本文借鑒處理反問題計(jì)算的正則化處理技術(shù),并且根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)滿足稀疏性分布的特點(diǎn),在UKF框架內(nèi)引入L1范數(shù)正則化處理,并通過簡支梁模型進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。(3)提出了基于高斯響應(yīng)面的無跡卡爾曼濾波算法。無跡卡爾曼濾波算法理論框架中需要建立損傷參數(shù)與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,而常見的靈敏度算法忽略了高階項(xiàng)的影響,在非線性程度較強(qiáng)、損傷較大時(shí)計(jì)算精度無法保證。為此,本文將高精度的高斯響應(yīng)面算法引入到濾波算法中,進(jìn)而提出無跡卡爾曼濾波的改進(jìn)算法,通過簡支梁、二維桁架的數(shù)值模擬算例,驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性與可靠性。(4)通過不同的梁式結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn),利用結(jié)構(gòu)的實(shí)測自由振動(dòng)響應(yīng)信號,運(yùn)用本文算法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷識別研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,本文中提出的無跡卡爾曼濾波改進(jìn)算法,可以有效抑制測量信號中噪聲的影響,對結(jié)構(gòu)中損傷部位的損傷程度與損傷位置進(jìn)行準(zhǔn)確識別。
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【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TU317;TN713

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 董小軍;基于靈敏度分析的結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正及損傷識別研究[D];蘭州理工大學(xué);2009年

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本文編號：2451625