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　　【摘要】： 大型橋梁健康監測的難點之一是對橋梁結構響應的客觀、有效分析與處理。由于實測響應趨于非線性、非平穩,難以用發展相對成熟的線性和平穩過程理論來解釋,因而迫切需要發展有效實用的結構響應分析與處理技術。 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上,利用已建立的南京長江大橋健康監測系統,將HHT應用于橋梁監測信號的分析與處理中,并對時變結構的模態參數識別問題進行了研究。通過對實測結構響應進行更客觀、有效、科學的分析和處理,探索橋梁結構復雜、非平穩響應的內在機理。 論文的主要研究內容如下: (1)提出了一種新的端點效應抑制方法——極值平移法,并將HHT與小波變換、Fourier變換進行了對比分析。端點效應是應用經驗模態分解(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,分別在信號兩端各添加四個平移極值點,以此達到抑制端點發散的目的。實測響應的分解結果表明該方法計算效率高,可有效地減輕端點效應對EMD的影響;對比分析結果表明HHT在處理非線性、非平穩信號方面具有明顯的優勢。 (2)提出了一種消除橋梁響應信號中存在的短時強噪聲干擾的方法。根據短時強噪聲干擾會導致瞬時振幅和瞬時頻率表現出明顯異常的特點,通過擬合正常區段的數據來消除這種異常,從而使相應的IMF得到凈化。數值仿真和南京長江大橋實測數據的處理結果表明了該方法的良好效果。 (3)將EMD用于橋梁監測信號的趨勢分析中,尋求火車激勵下橋梁復雜響應的構成機理。首先,計算橋梁在一定加載模式下的位移和應力響應。然后,用EMD把響應分離成不含趨勢項的振動分量和趨勢項,研究各分量對應的物理意義。最后,利用南京長江大橋健康監測系統采集的實測數據對響應構成機理進行了探討。研究成果可應用于橋梁健康監測和狀態評估的實際工程中。 (4)提出了一種識別時變結構模態參數的方法。推導出了利用時變單自由度結構的位移響應識別模態參數的理論表達式。然后根據EMD優良的模態濾波性能,將該方法擴展到時變多自由度結構的模態參數識別中。通過對時變多自由度結構的響應進行處理,從中分離出對應結構單階模態的瞬態響應。仿真算例表明了該方法的良好識別效果。 (5)自行設計一時變結構實驗,對本文提出的時變結構模態參數識別方法作進一步的研究。實驗對象為一懸臂梁結構,通過振動時改變梁的附加質量和剛度的大小來實現質量連續變化、剛度連續變化和剛度突變三種時變結構,利用梁上測點的自由振動加速度響應識別結構時變的模態參數,并將識別結果與梁在幾個指定狀態下(時不變結構)模態參數的識別值以及理論計算值進行了對比和分析,從而表明了本文方法在實際應用中的可行性和有效性。 【關鍵詞】：橋梁健康監測 信號分析與處理 Hilbert-Huang變換 時變結構 模態參數識別
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 橋梁健康監測概述12-13
• 1.2 信號分析與處理在橋梁健康監測中的重要性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變換的應用現狀19-21
• 1.5 時變結構模態參數識別概述21-22
• 1.6 時變結構模態參數識別研究進展22-24
• 1.7 結構模態參數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用29-53
• 2.1 Hilbert變換與解析信號29-31
• 2.2 本征模函數與經驗模態分解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 端點效應的抑制36-43
• 2.4.1 端點效應抑制的一種新方法——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 實測橋梁監測信號的對比分析48-52
• 2.6 小結52-53
• 第三章 基于Hilbert-Huang變換的信號濾波降噪技術53-71
• 3.1 信號濾波技術簡介53-54
• 3.2 EMD的濾波特性54-57
• 3.3 短時強噪聲干擾的消除57-70
• 3.3.1 模態混疊59-61
• 3.3.2 間斷檢驗61-64
• 3.3.3 短時強噪聲干擾的消除方法64-68
• 3.3.4 應用實例68-70
• 3.4 小結70-71
• 第四章 經驗模態分解在橋梁監測信號趨勢分析中的應用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趨勢分析74-81
• 4.3.1 簡支梁的車輛強迫振動理論74-76
• 4.3.2 仿真模型76-78
• 4.3.3 響應的趨勢分析78-81
• 4.4 南京長江大橋實測應變響應的趨勢分析81-83
• 4.5 小結83-84
• 第五章 基于Hibert-Huang變換的時變結構模態參數識別84-102
• 5.1 時變結構的理論模型和求解方法84-85
• 5.2 時變單自由度結構模態參數識別85-89
• 5.2.1 自由振動條件下時變單自由度結構模態參數識別85-88
• 5.2.2 受迫振動條件下時變單自由度結構模態參數識別88-89
• 5.3 時變單自由度結構數值仿真89-96
• 5.3.1 數值仿真模型89-91
• 5.3.2 利用自由振動響應識別時變模態參數91-93
• 5.3.3 利用受迫振動響應識別時變模態參數93-96
• 5.4 時變多自由度結構模態參數識別96-100
• 5.4.1 基本方法96-97
• 5.4.2 數值仿真97-100
• 5.5 小結100-102
• 第六章 時變結構實驗102-121
• 6.1 實驗總體設計思想102
• 6.2 實驗基本設備102-104
• 6.3 質量連續變化的實驗設計及實測數據分析104-112
• 6.3.1 實驗設計和實測數據104-106
• 6.3.2 理論計算106-107
• 6.3.3 實測數據分析107-112
• 6.4 剛度連續變化的實驗設計及實測數據分析112-117
• 6.4.1 實驗設計和實測數據112-114
• 6.4.2 理論計算114
• 6.4.3 實測數據分析114-117
• 6.5 剛度突變實驗及實測數據分析117-120
• 6.5.1 實驗設計和實測數據117-118
• 6.5.2 理論計算118
• 6.5.3 實測數據分析118-120
• 6.6 小結120-121
• 第七章 結論及展望121-124
• 7.1 結論121-122
• 7.2 展望122-124
• 參考文獻124-140
• 致謝140-141
• 攻讀博士學位期間發表的學術論文及參加的科研項目141-143