本文選題：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) + 物理模型��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：近年來世界頻繁發(fā)生大地震并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡及社會(huì)影響，這是因?yàn)橐环矫嫒藗儗Φ卣鸬孛孢\(yùn)動(dòng)的特征認(rèn)識不足，另一方面是人們還無法準(zhǔn)確把握工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震作用下的地震損傷機(jī)理和破壞機(jī)制。近30年發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)通過布設(shè)傳感器獲取原型結(jié)構(gòu)在真實(shí)服役環(huán)境及荷載作用下的實(shí)際響應(yīng)，實(shí)時(shí)地診斷結(jié)構(gòu)的損傷并及時(shí)地發(fā)出預(yù)警警報(bào)，是當(dāng)前研究和揭示工程結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)、損傷機(jī)理和破壞機(jī)制的最直接、最有效的手段。傳統(tǒng)的基于振動(dòng)信號的結(jié)構(gòu)損傷識別方法一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)損傷前后都是線性的，由于強(qiáng)地震地面運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)性使得工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下表征明顯的非線性行為，如混凝土裂縫的張開與閉合，鋼筋或鋼材的屈服或屈曲等，這使得傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法并不直接適合識別結(jié)構(gòu)的地震損傷。因此迫切需要重新審視地震地面運(yùn)動(dòng)的非平穩(wěn)特性，發(fā)展利用結(jié)構(gòu)地震作用下非線性特征和非線性系統(tǒng)識別方法的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法和損傷評估方法。為此，本文研究地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)頻能量分布、以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提取非線性特征的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法和基于物理模型識別非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法。主要研究內(nèi)容如下： 研究基于匹配追蹤分解算法和時(shí)頻能量分布的地震地面運(yùn)動(dòng)生成方法。首先介紹匹配追蹤分解算法的基本原理；然后構(gòu)造具有相同峰值加速度和傅里葉幅度譜的簡單人工地震地面運(yùn)動(dòng)，比較它們時(shí)頻能量分布的差異以及時(shí)頻能量分布對線性結(jié)構(gòu)最大彈性位移的影響，進(jìn)一步定義時(shí)頻原子幅度、循環(huán)特征、滯后相位角和有效能量，分析地震地面運(yùn)動(dòng)有效能量與最大彈性位移的相關(guān)性；最后分析人工地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí)頻能量分布對彈塑性結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律，通過時(shí)頻能量分布解釋非線性結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的動(dòng)態(tài)棘輪效應(yīng)。 研究基于層間位移時(shí)頻特征分形維數(shù)的剪切型結(jié)構(gòu)地震損傷識別方法。首先定義時(shí)頻特征并采用分形維數(shù)定量刻畫；然后結(jié)合模態(tài)疊加原理推導(dǎo)線性結(jié)構(gòu)各自由度處時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)，結(jié)合子結(jié)構(gòu)方法得到非線性結(jié)構(gòu)各子結(jié)構(gòu)時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)；最后以10層剪切型結(jié)構(gòu)為數(shù)值仿真對象，模擬結(jié)構(gòu)在單層損傷和多層損傷，，不同損傷程度，近場地震動(dòng)和遠(yuǎn)場地震動(dòng)、不同噪聲水平下的識別效果，并討論不同阻尼比和采用層間加速度對識別結(jié)果的影響。 研究基于位移信號時(shí)頻特征分形維數(shù)的框架型結(jié)構(gòu)地震損傷方法。首先結(jié)合靜態(tài)縮聚法、模態(tài)疊加原理推導(dǎo)線性框架型結(jié)構(gòu)各主自由度處時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)；然后對于梁、柱端產(chǎn)生塑性鉸的非線性框架型結(jié)構(gòu)，研究擬力法推導(dǎo)塑性鉸到非彈性位移的轉(zhuǎn)換矩陣并得到各主自由度的時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)，對于局部安裝非線性構(gòu)件如阻尼器的非線性框架型結(jié)構(gòu)，研究逆反路徑法分析局部非線性對結(jié)構(gòu)相對位移的影響并得到各主自由度的時(shí)頻特征分形維數(shù)的性質(zhì)。其次通過16層框架型結(jié)構(gòu)數(shù)值算例驗(yàn)證結(jié)構(gòu)單層和多層梁、柱出現(xiàn)塑性鉸時(shí)的時(shí)頻特征分形維數(shù)的識別方法；最后通過安裝了摩擦阻尼器（模擬結(jié)構(gòu)體系的局部非線性）的16層鋼框架型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺試驗(yàn)驗(yàn)證所提方法。 研究基于擴(kuò)展Kalman和無跡Kalman濾波相結(jié)合的結(jié)構(gòu)地震損傷分散識別方法。首先介紹經(jīng)典Kalman濾波，擴(kuò)展Kalman濾波和無跡Kalman濾波的基本原理；然后研究分別用擴(kuò)展Kalman濾波和無跡Kalman濾波識別線性和非線性子結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。其次以10自由度剪切型結(jié)構(gòu)為數(shù)值仿真對象，模擬結(jié)構(gòu)在單層損傷和多層損傷下的識別結(jié)果，并比較同基于擴(kuò)展Kalman濾波和無跡Kalman濾波整體結(jié)構(gòu)識別方法的識別結(jié)果。最后結(jié)合識別的力—位移曲線和修正的Park-Ang損傷指標(biāo)對結(jié)構(gòu)的地震損傷定量評估。
[Abstract]:In recent years, great earthquakes have occurred frequently in the world and caused great economic losses, casualties and social effects. This is due to the lack of understanding of the characteristics of earthquake ground motion. On the other hand, it is impossible for people to accurately grasp the mechanism and mechanism of earthquake damage under the effect of real earthquake. In recent 30 years The structural health monitoring system is designed to obtain the actual response of the prototype structure under the actual service environment and load, to diagnose the damage of the structure in real time and to send out the warning warning in time. It is the research and Revelation of the structural seismic response, the damage mechanism and the damage mechanism of the engineering structure under the real earthquake. The traditional method of structural damage identification based on vibration signals generally considers that the structural damage is linear before and after the damage. Due to the nonstationarity of the strong earthquake ground motion, the engineering structure is characterized by the obvious nonlinear behavior under the strong earthquake action, such as the opening and closing of the concrete cracks, the bending of steel or steel. The traditional structural damage identification method is not directly suitable for the seismic damage identification of the structure. Therefore, it is urgent to reexamine the non-stationary characteristics of the seismic ground motion, and develop the structural seismic damage identification method and damage assessment method using the nonlinear characteristics and nonlinear system identification methods under the structural seismic action. Therefore, this paper studies the time frequency energy distribution of seismic ground motion, structural seismic damage identification method based on data driven nonlinear characteristics and structural seismic damage identification method based on physical model identification nonlinear system. The main contents are as follows:
The method of seismic ground motion generation based on matching tracking decomposition algorithm and time frequency energy distribution is studied. First, the basic principle of matching tracking decomposition algorithm is introduced. Then, a simple artificial ground motion with the same peak acceleration and Fu Liye amplitude spectrum is constructed, and the difference of time frequency energy distribution and time frequency energy are compared. The influence of the cloth on the maximum elastic displacement of the linear structure, further defining the amplitude of the time frequency atom, the characteristic of the cycle, the lag phase angle and the effective energy, analysis the correlation between the effective energy of the earthquake ground motion and the maximum elastic displacement, and finally analyze the influence of the frequency energy distribution on the response of the elastoplastic structure when the time of the ground motion of the artificial earthquake is passed. The frequency energy distribution explains the dynamic ratcheting effect of nonlinear structures.
The seismic damage identification method of shear type structure based on the time frequency characteristic fractal dimension of interlayer displacement is studied. Firstly, the time frequency characteristics are defined and fractal dimension is used to describe the seismic damage. Then, the properties of the fractal dimension of the time frequency characteristics at each degree of freedom in linear structures are deduced with the principle of modal superposition, and the knot structure method is used to obtain the sub nodes of the nonlinear structures. The properties of the fractal dimension of the time-frequency characteristic are obtained. Finally, the 10 layer shear structure is used as the numerical simulation object to simulate the recognition results under the single layer damage and multi-layer damage, the different damage degree, the near ground motion and the far ground vibration, and the different noise levels, and discuss the influence of the different damping ratio and the interlayer acceleration on the recognition results.
The frame structure seismic damage method based on the fractal dimension of the time frequency characteristic of the displacement signal is studied. Firstly, the properties of the fractal dimension of the time frequency characteristic of the linear frame type structure are derived by the static condensation method and the modal superposition principle. Then the nonlinear frame structure of the plastic hinge at the end of the beam and the column is derived, and the derivation of the pseudo force method is studied. The property of the time frequency characteristic fractal dimension of each principal degree of freedom is obtained by the plastic hinge to the transition matrix of the inelastic displacement, and the inverse path method is used to analyze the influence of local nonlinearity on the relative displacement of the structure and obtain the fractal dimension of the time frequency characteristic of the main degrees of freedom for the nonlinear frame structure of the local installation of a nonlinear component, such as the damper. Secondly, a numerical example of 16 layers frame structure is used to verify the method for identifying the fractal dimension of the time frequency characteristic of the structural single and multi-layer beams and the columns when the plastic hinge appears. Finally, the proposed method is verified by the 16 layer steel frame type vibration table test of the friction damper (the local nonlinearity of the simulated structural system).
The structure of seismic damage identification based on the combination of extended Kalman and non trace Kalman filtering is studied. First, the basic principles of classical Kalman filtering, extended Kalman filtering and Untraced Kalman filtering are introduced. Then, extended Kalman filtering and Untraced Kalman filtering are used to identify the extended state of linear and nonlinear substructures. Secondly, the extended state of linear and nonlinear substructures is identified. The 10 degree of freedom shear type structure is used as the numerical simulation object to simulate the identification results of the structure under single layer damage and multi layer damage, and compare the identification results with the whole structure recognition method based on the extended Kalman filter and the Untraced Kalman filter. Finally, the structural earthquake is combined with the identified force displacement curve and the modified Park-Ang damage index. Quantitative assessment of damage.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU311.3

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本文編號：2029855