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　　【摘要】： 大型橋梁健康監(jiān)測的難點之一是對橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的客觀、有效分析與處理。由于實測響應(yīng)趨于非線性、非平穩(wěn),難以用發(fā)展相對成熟的線性和平穩(wěn)過程理論來解釋,因而迫切需要發(fā)展有效實用的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析與處理技術(shù)。 Hilbert-Huang變換(HHT)是一種全新的信號時頻分析方法,本文在研究其基本理論的基礎(chǔ)上,利用已建立的南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng),將HHT應(yīng)用于橋梁監(jiān)測信號的分析與處理中,并對時變結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別問題進(jìn)行了研究。通過對實測結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行更客觀、有效、科學(xué)的分析和處理,探索橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非平穩(wěn)響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。 論文的主要研究內(nèi)容如下: (1)提出了一種新的端點效應(yīng)抑制方法——極值平移法,并將HHT與小波變換、Fourier變換進(jìn)行了對比分析。端點效應(yīng)是應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解(EMD)的瓶頸問題,其有效解決對完善HHT理論具有重要意義。本文以信號端點及其附近極值的特征作為延拓依據(jù),分別在信號兩端各添加四個平移極值點,以此達(dá)到抑制端點發(fā)散的目的。實測響應(yīng)的分解結(jié)果表明該方法計算效率高,可有效地減輕端點效應(yīng)對EMD的影響;對比分析結(jié)果表明HHT在處理非線性、非平穩(wěn)信號方面具有明顯的優(yōu)勢。 (2)提出了一種消除橋梁響應(yīng)信號中存在的短時強(qiáng)噪聲干擾的方法。根據(jù)短時強(qiáng)噪聲干擾會導(dǎo)致瞬時振幅和瞬時頻率表現(xiàn)出明顯異常的特點,通過擬合正常區(qū)段的數(shù)據(jù)來消除這種異常,從而使相應(yīng)的IMF得到凈化。數(shù)值仿真和南京長江大橋?qū)崪y數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明了該方法的良好效果。 (3)將EMD用于橋梁監(jiān)測信號的趨勢分析中,尋求火車激勵下橋梁復(fù)雜響應(yīng)的構(gòu)成機(jī)理。首先,計算橋梁在一定加載模式下的位移和應(yīng)力響應(yīng)。然后,用EMD把響應(yīng)分離成不含趨勢項的振動分量和趨勢項,研究各分量對應(yīng)的物理意義。最后,利用南京長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的實測數(shù)據(jù)對響應(yīng)構(gòu)成機(jī)理進(jìn)行了探討。研究成果可應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測和狀態(tài)評估的實際工程中。 (4)提出了一種識別時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的方法。推導(dǎo)出了利用時變單自由度結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)識別模態(tài)參數(shù)的理論表達(dá)式。然后根據(jù)EMD優(yōu)良的模態(tài)濾波性能,將該方法擴(kuò)展到時變多自由度結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別中。通過對時變多自由度結(jié)構(gòu)的響應(yīng)進(jìn)行處理,從中分離出對應(yīng)結(jié)構(gòu)單階模態(tài)的瞬態(tài)響應(yīng)。仿真算例表明了該方法的良好識別效果。 (5)自行設(shè)計一時變結(jié)構(gòu)實驗,對本文提出的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法作進(jìn)一步的研究。實驗對象為一懸臂梁結(jié)構(gòu),通過振動時改變梁的附加質(zhì)量和剛度的大小來實現(xiàn)質(zhì)量連續(xù)變化、剛度連續(xù)變化和剛度突變?nèi)�種時變結(jié)構(gòu),利用梁上測點的自由振動加速度響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)時變的模態(tài)參數(shù),并將識別結(jié)果與梁在幾個指定狀態(tài)下(時不變結(jié)構(gòu))模態(tài)參數(shù)的識別值以及理論計算值進(jìn)行了對比和分析,從而表明了本文方法在實際應(yīng)用中的可行性和有效性。 【關(guān)鍵詞】：橋梁健康監(jiān)測 信號分析與處理 Hilbert-Huang變換 時變結(jié)構(gòu) 模態(tài)參數(shù)識別
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TN911.7
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.167143
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-29
• 1.1 橋梁健康監(jiān)測概述12-13
• 1.2 信號分析與處理在橋梁健康監(jiān)測中的重要性13-14
• 1.3 信號分析與處理常用方法及特點14-19
• 1.3.1 Fourier變換14-15
• 1.3.2 短時Fourier變換15-16
• 1.3.3 Wigner-Ville分布16-17
• 1.3.4 小波變換17-18
• 1.3.5 Hilbert-Huang變換18-19
• 1.4 Hilbert-Huang變換的應(yīng)用現(xiàn)狀19-21
• 1.5 時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別概述21-22
• 1.6 時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別研究進(jìn)展22-24
• 1.7 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的時頻分析方法24-26
• 1.8 本文的主要研究工作26-29
• 第二章 Hilbert-Huang變換的基本理論研究與應(yīng)用29-53
• 2.1 Hilbert變換與解析信號29-31
• 2.2 本征模函數(shù)與經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解31-33
• 2.3 Hilbert譜分析33-36
• 2.3.1 Hilbert譜33-35
• 2.3.2 Hilbert譜的時頻分辨特性35
• 2.3.3 Hilbert邊際譜35-36
• 2.4 端點效應(yīng)的抑制36-43
• 2.4.1 端點效應(yīng)抑制的一種新方法——極值平移法36-41
• 2.4.2 極值平移法的應(yīng)用實例41-43
• 2.5 信號對比分析43-52
• 2.5.1 仿真信號的對比分析43-48
• 2.5.2 實測橋梁監(jiān)測信號的對比分析48-52
• 2.6 小結(jié)52-53
• 第三章 基于Hilbert-Huang變換的信號濾波降噪技術(shù)53-71
• 3.1 信號濾波技術(shù)簡介53-54
• 3.2 EMD的濾波特性54-57
• 3.3 短時強(qiáng)噪聲干擾的消除57-70
• 3.3.1 模態(tài)混疊59-61
• 3.3.2 間斷檢驗61-64
• 3.3.3 短時強(qiáng)噪聲干擾的消除方法64-68
• 3.3.4 應(yīng)用實例68-70
• 3.4 小結(jié)70-71
• 第四章 經(jīng)驗?zāi)�態(tài)分解在橋梁監(jiān)測信號趨勢分析中的應(yīng)用71-84
• 4.1 概述71-72
• 4.2 EMD與常用趨勢項提取方法的比較72-74
• 4.3 基于橋梁仿真模型的響應(yīng)趨勢分析74-81
• 4.3.1 簡支梁的車輛強(qiáng)迫振動理論74-76
• 4.3.2 仿真模型76-78
• 4.3.3 響應(yīng)的趨勢分析78-81
• 4.4 南京長江大橋?qū)崪y應(yīng)變響應(yīng)的趨勢分析81-83
• 4.5 小結(jié)83-84
• 第五章 基于Hibert-Huang變換的時變結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別84-102
• 5.1 時變結(jié)構(gòu)的理論模型和求解方法84-85
• 5.2 時變單自由度結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別85-89
• 5.2.1 自由振動條件下時變單自由度結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別85-88
• 5.2.2 受迫振動條件下時變單自由度結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別88-89
• 5.3 時變單自由度結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真89-96
• 5.3.1 數(shù)值仿真模型89-91
• 5.3.2 利用自由振動響應(yīng)識別時變模態(tài)參數(shù)91-93
• 5.3.3 利用受迫振動響應(yīng)識別時變模態(tài)參數(shù)93-96
• 5.4 時變多自由度結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別96-100
• 5.4.1 基本方法96-97
• 5.4.2 數(shù)值仿真97-100
• 5.5 小結(jié)100-102
• 第六章 時變結(jié)構(gòu)實驗102-121
• 6.1 實驗總體設(shè)計思想102
• 6.2 實驗基本設(shè)備102-104
• 6.3 質(zhì)量連續(xù)變化的實驗設(shè)計及實測數(shù)據(jù)分析104-112
• 6.3.1 實驗設(shè)計和實測數(shù)據(jù)104-106
• 6.3.2 理論計算106-107
• 6.3.3 實測數(shù)據(jù)分析107-112
• 6.4 剛度連續(xù)變化的實驗設(shè)計及實測數(shù)據(jù)分析112-117
• 6.4.1 實驗設(shè)計和實測數(shù)據(jù)112-114
• 6.4.2 理論計算114
• 6.4.3 實測數(shù)據(jù)分析114-117
• 6.5 剛度突變實驗及實測數(shù)據(jù)分析117-120
• 6.5.1 實驗設(shè)計和實測數(shù)據(jù)117-118
• 6.5.2 理論計算118
• 6.5.3 實測數(shù)據(jù)分析118-120
• 6.6 小結(jié)120-121
• 第七章 結(jié)論及展望121-124
• 7.1 結(jié)論121-122
• 7.2 展望122-124
• 參考文獻(xiàn)124-140
• 致謝140-141
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加的科研項目141-143