本文關(guān)鍵詞：基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與定位算法研究

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【摘要】：大型的建筑結(jié)構(gòu)或者一些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、材料在使用過程中隨著時(shí)間的推移經(jīng)歷環(huán)境侵蝕、結(jié)構(gòu)老化、疲勞效應(yīng)等,容易存在結(jié)構(gòu)性損傷,出現(xiàn)耐用性能下降,可靠性得不到滿足,直接影響到國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)安全以及工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。引入健康監(jiān)測(cè)方法來對(duì)結(jié)構(gòu)中潛在的損傷狀況進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估,確保結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài)勢(shì)在必行。許多大型的結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)部署結(jié)構(gòu)如果單靠人力進(jìn)行檢測(cè)維護(hù),不但耗費(fèi)大量人力物力,還可能存在由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜或處于人力所不能及的狀態(tài)而導(dǎo)致的檢測(cè)盲區(qū)。因而智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)手段越來越得到人們的重視。本文的研究背景為對(duì)熱軋生產(chǎn)線生產(chǎn)出來的鋼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)。鋼板在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)歷高溫、高壓、高強(qiáng)度的環(huán)境,再加上在通過傳送輥傳送的過程中,容易因打滑、偏擺、碰撞而產(chǎn)生表面缺陷,如凹坑、裂紋等,影響鋼的品質(zhì)。甚至,有些缺陷隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,形成殘次品,在使用過程中留下致命隱患。廠方為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,需要對(duì)所出品的鋼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)。單純依靠人眼進(jìn)行辨識(shí)自然無法完成這項(xiàng)任務(wù),在這種情況下,就需要依靠專門的結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別方法。近年來,隨著智能材料的概念的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)和傳感、通信技術(shù)的快速發(fā)展,使智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。其中可用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)的壓電晶片造價(jià)便宜,體積小,適合在空間中大規(guī)模部署,作為智能傳感元器件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)。導(dǎo)波檢測(cè)屬于一種無損超聲檢測(cè)技術(shù),它通過附著在材料表面或者嵌入材料內(nèi)部的壓電換能元器件激勵(lì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力波,然后利用同樣部署在材料表面或內(nèi)部的壓電換能傳感器檢測(cè)接收材料中傳播的導(dǎo)波信號(hào)并進(jìn)行處理分析。對(duì)于在厚度方向上伸展遠(yuǎn)小于長(zhǎng)、寬度方向的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)會(huì)成為波的導(dǎo)體令導(dǎo)波可以沿著結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)距離傳播而相對(duì)耗散較小,因而在對(duì)人力難以抵達(dá)的部位進(jìn)行探測(cè)時(shí)能派上很大用場(chǎng)。并且高頻的導(dǎo)波對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者表面的不連續(xù)、缺損、中空等損傷十分敏感,導(dǎo)波會(huì)在這些位置發(fā)生折射反射,其中還包括復(fù)雜的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程,與損傷部位的這些相互作用會(huì)使接收到的導(dǎo)波中存在損傷特征信息,對(duì)這些特征信息的分析處理可以推測(cè)出損傷的位置、輪廓形態(tài)乃至受損的嚴(yán)重程度等。所以導(dǎo)波檢測(cè)也適用于對(duì)視線無法觸及結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。本文重點(diǎn)研究超聲導(dǎo)波檢測(cè)的原理和方法,并考慮如何應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)、定位上,主要研究?jī)?nèi)容包括:一、超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性以及與損傷部位的相互作用,導(dǎo)波的傳播模型描述。二、對(duì)導(dǎo)波信號(hào)的多模態(tài)特性進(jìn)行研究,將原始時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域上,并使用譜聚類的方法對(duì)多模態(tài)進(jìn)行識(shí)別與分離。三、通過對(duì)導(dǎo)波的傳播機(jī)理進(jìn)行建模,獲得能描述導(dǎo)波傳播特性的模型,并使用有限元方法擬合原模型使擬合模型可以在運(yùn)算復(fù)雜度與求解精度上取得平衡,從而節(jié)省運(yùn)算資源。四、基于導(dǎo)波信號(hào)的損傷定位算法�；趬嚎s感知的思想,根據(jù)損傷的空間分布特性施加稀疏約束,并克服模型的欠定性,實(shí)現(xiàn)損傷的定位。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 結(jié)構(gòu)損傷建模 有限元方法 損傷定位 壓縮感知
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG115.28
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 緒論13-19
• 1.1 選題背景與研究意義13-15
• 1.2 基于導(dǎo)波的損傷檢測(cè)研究發(fā)展?fàn)顩r15-16
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容與貢獻(xiàn)16-17
• 1.4 本文的結(jié)構(gòu)安排17-19
• 第二章 導(dǎo)波研究基礎(chǔ)知識(shí)19-47
• 2.1 引言19
• 2.2 導(dǎo)波機(jī)理19-23
• 2.3 導(dǎo)波的特性23-25
• 2.4 導(dǎo)波的損傷探測(cè)原理25-27
• 2.5 仿真軟件27-28
• 2.6 激勵(lì)信號(hào)選擇28-32
• 2.6.1 窄帶激勵(lì)29-30
• 2.6.2 寬帶激勵(lì)30-32
• 2.7 信號(hào)的發(fā)送接收方式32-35
• 2.7.1 脈沖反射32
• 2.7.2 一發(fā)一收32-33
• 2.7.3 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)法的發(fā)送接收方式33-34
• 2.7.4 傳感器陣列34-35
• 2.8 損傷識(shí)別方法35
• 2.9 損傷定位方法35-45
• 2.9.1 基于系統(tǒng)響應(yīng)的損傷定位方法36-43
• 2.9.2 基于系統(tǒng)模型的損傷定位方法43-45
• 2.10 本章小結(jié)45-47
• 第三章 基于譜聚類的導(dǎo)波模態(tài)分離方法47-57
• 3.1 引言47
• 3.2 模態(tài)分離原理47-49
• 3.3 二維傅立葉變換49-50
• 3.4 基于譜聚類的頻率 -波數(shù)域的模態(tài)分離方法50-52
• 3.5 仿真與結(jié)果討論52-56
• 3.6 本章小結(jié)56-57
• 第四章 基于有限元模型的稀疏損傷定位算法57-81
• 4.1 引言57-59
• 4.2 系統(tǒng)模型的構(gòu)建59-70
• 4.2.1 導(dǎo)波傳播機(jī)理模型59-64
• 4.2.2 觀測(cè)模型64
• 4.2.3 有限元方法求解64-70
• 4.3 基于稀疏正則化的損傷定位方法70-73
• 4.3.1 優(yōu)化問題70-71
• 4.3.2 定位策略71-73
• 4.4 仿真結(jié)果與討論73-79
• 4.4.1 仿真環(huán)境搭建與設(shè)置73-75
• 4.4.2 仿真結(jié)果分析75-79
• 4.5 本章小結(jié)79-81
• 全文總結(jié)81-83
• 參考文獻(xiàn)83-89
• 致謝89-91
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄91-93

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