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

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【摘要】：大型的建筑結(jié)構(gòu)或者一些現(xiàn)場設(shè)備、材料在使用過程中隨著時間的推移經(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,直接影響到國民生命財產(chǎn)安全以及工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。引入健康監(jiān)測方法來對結(jié)構(gòu)中潛在的損傷狀況進行檢測、評估,確保結(jié)構(gòu)處于安全工作狀態(tài)勢在必行。許多大型的結(jié)構(gòu)或者復雜的現(xiàn)場部署結(jié)構(gòu)如果單靠人力進行檢測維護,不但耗費大量人力物力,還可能存在由于結(jié)構(gòu)的復雜或處于人力所不能及的狀態(tài)而導致的檢測盲區(qū)。因而智能化、標準化的檢測手段越來越得到人們的重視。本文的研究背景為對熱軋生產(chǎn)線生產(chǎn)出來的鋼板進行結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測。鋼板在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)歷高溫、高壓、高強度的環(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,需要對所出品的鋼板進行結(jié)構(gòu)健康檢測。單純依靠人眼進行辨識自然無法完成這項任務(wù),在這種情況下,就需要依靠專門的結(jié)構(gòu)損傷的識別方法。近年來,隨著智能材料的概念的出現(xiàn)以及計算機科學和傳感、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)測系統(tǒng)的實現(xiàn)成為了可能。其中可用于超聲導波檢測的壓電晶片造價便宜,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結(jié)構(gòu)進行主動檢測。導波檢測屬于一種無損超聲檢測技術(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接收材料中傳播的導波信號并進行處理分析。對于在厚度方向上伸展遠小于長、寬度方向的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)會成為波的導體令導波可以沿著結(jié)構(gòu)表面長距離傳播而相對耗散較小,因而在對人力難以抵達的部位進行探測時能派上很大用場。并且高頻的導波對結(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,導波會在這些位置發(fā)生折射反射,其中還包括復雜的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程,與損傷部位的這些相互作用會使接收到的導波中存在損傷特征信息,對這些特征信息的分析處理可以推測出損傷的位置、輪廓形態(tài)乃至受損的嚴重程度等。所以導波檢測也適用于對視線無法觸及結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行檢測。本文重點研究超聲導波檢測的原理和方法,并考慮如何應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的損傷檢測、定位上,主要研究內(nèi)容包括:一、超聲導波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性以及與損傷部位的相互作用,導波的傳播模型描述。二、對導波信號的多模態(tài)特性進行研究,將原始時域信號轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域上,并使用譜聚類的方法對多模態(tài)進行識別與分離。三、通過對導波的傳播機理進行建模,獲得能描述導波傳播特性的模型,并使用有限元方法擬合原模型使擬合模型可以在運算復雜度與求解精度上取得平衡,從而節(jié)省運算資源。四、基于導波信號的損傷定位算法�；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,實現(xiàn)損傷的定位。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 結(jié)構(gòu)損傷建模 有限元方法 損傷定位 壓縮感知
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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 基于導波的損傷檢測研究發(fā)展狀況15-16
• 1.3 本文研究的主要內(nèi)容與貢獻16-17
• 1.4 本文的結(jié)構(gòu)安排17-19
• 第二章 導波研究基礎(chǔ)知識19-47
• 2.1 引言19
• 2.2 導波機理19-23
• 2.3 導波的特性23-25
• 2.4 導波的損傷探測原理25-27
• 2.5 仿真軟件27-28
• 2.6 激勵信號選擇28-32
• 2.6.1 窄帶激勵29-30
• 2.6.2 寬帶激勵30-32
• 2.7 信號的發(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 導波傳播機理模型59-64
• 4.2.2 觀測模型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83-89
• 致謝89-91
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文目錄91-93

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