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基于变分模态分解的简支梁结构裂缝损伤识别方法研究
| 论文题名： | 基于变分模态分解的简支梁结构裂缝损伤识别方法研究 |
| 关键词： | 桥梁结构;简支梁;裂缝识别;变分模态分解算法 |
| 摘要： | 随着经济建设速度的不断加快，城乡交通需求逐步增长，各式各样的桥梁也相继建成。与此同时，桥梁受到材料老化、过载、侵蚀和地震等因素不同程度的影响，导致桥梁的承载能力、安全性和耐久性都在不断削弱。因此，发展便捷有效的桥梁损伤识别方法，从而及时发现桥梁出现的缺陷，具有重要实用意义。本文针对桥梁常见的裂缝损伤，考虑了移动荷载和激励荷载两种激励方式，基于变分模态分解（VMD）算法构造了对损伤敏感的指标，实现了简支梁裂缝损伤的有效识别。本文主要包括以下内容： 首先，根据变分模态分解算法的基本原理，提出了变分模态分解算法相关参数的合理赋值方法：1.采用信号在频域下的频带个数确定模态分解个数K；2.根据算法最佳的迭代次数确定惩罚因子α。通过对测试信号的分解，突出了变分模态分解算法相对于经验模态分解（EMD）算法的优势。 其次，以动载作用下带开口裂缝简支梁模型为研究对象，提出了一种不依赖于完整有限元模型的裂缝识别方法。该方法仅需对简支梁跨中加速度响应进行分析处理，减少了实际工程中传感器的装卸及维护工作。同时，基于该模型推导出了简支裂缝梁跨中加速度解析式。在理论推导的支撑下，利用变分模态分解算法和希尔伯特变换构造出了新型损伤指标，该指标能够有效地识别出裂缝深度占比为5%的小裂缝。之后，进一步分析了不同轮载大小、损伤程度以及噪声干扰等因素对裂缝损伤识别的影响。 同时，以简谐激励作用下带呼吸裂缝简支梁模型为研究对象，在三维实体模型中利用ANSYS接触对单元模拟了实体呼吸裂缝。利用裂缝位置的接触压应力验证了所建立模型的正确性。在理论分析的基础上，结合变分模态分解算法，建立了相应的非线性度量指标，包括非线性系数D1、谐波能量比值?/A、总能量比值A/a1以及速度-位移二维相平面，并利用非线性损伤指标成功地识别出了呼吸裂缝损伤的所在。 最后，分析了不同因素作用下对带呼吸裂缝简支梁损伤识别的影响。利用速度-位移二维相平面研究了激励频率和阻尼对结构振动非线性效应的影响。结果表明，当激励频率为1/2基频时，使得结构振动的非线性效应表现得最为明显。随阻尼比的增大，结构振动的非线性效应逐渐减小。此外，对实体模型横截面宽度方向的半贯穿呼吸裂缝进行了损伤识别，研究了不同半贯穿形式结构振动的非线性效应强弱以及能够实现的最小裂缝识别程度。 |
| 作者： | 杨启航 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 李林安 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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