关键词:
平动转动全参数
未知激励
动力学参数
最小二乘方法
扩展卡尔曼滤波方法
摘要:
在工程结构的众多监测对象中,结构变形监测是最受关注的监测对象,也是获取结构静动力学状态和特性的最为关键的要素。但是,现有的结构变形监测技术在动态监测和信息密集度方面存在一定的不足。本文基于在已有的监测点基础上挖掘更丰富的监测数据信息的思路,以结构变形监测技术为关注对象,从两个方面进行优化和改进研究:一方面是研究以动态监测为方式的变形监测技术,提高变形监测的有效性,可以为解决基于变形信息的工程结构动力学状态评估和损伤识别提供更有力的支撑;另一方面是研究面向结构空间多自由度的变形监测技术,可以有效拓展局部变形监测测点的监测能力和监测范围,提高局部变形测点可提供的信息密集程度。基于上述目标,本文研究内容如下:
(1)工程结构振动监测系统的力学模型
通过从弹性力学视角、有限元分析视角、工程结构监测视角等给出了结构振动监测系统的平动转动全参数组成,即结构任意一点的变形参量应当包括三个平动自由度和三个转动自由度;同时在外部动态激励作用下,应该包括各个自由度方向的位移、速度、加速度等参量。讨论了现有的振动监测系统的具体工艺原理,研究建立了工程结构振动监测的力学模型,并基于子结构、刚度缩聚等理论将工程结构的质量、刚度、阻尼等参数缩聚到测点位置,通过推导明确了各个参数矩阵的具体形式。对振动监测系统中的环境激励的统计特征开展了分析,基于缩聚原理和中心极限定理等推导得到测点位置未知激励应当满足高斯白噪声的结论,进而可通过假定其高斯白噪声的均值和方差等统计特征,使其能够应用于后续结构动力学参数识别、激励识别以及动态转角估计过程中。
(2)未知激励情况下的结构动力学参数和激励识别方法研究
针对不考虑转动因素的情况,研究建立了基于平动参数的结构动力学参数和激励识别方法。基于最小二乘方法的基线在线消除方法,并结合递归高通滤波器和积分算法,给出实时在线的加速度积分方案,实现平动参数(包括加速度、速度、位移)的在线实时高精度识别;进一步,采用最小二乘估计方法进行未知激励情况下的参数识别和激励识别,建立了平动振动力学模型,并基于该模型阐述了参数识别算法和识别流程。通过未知激励下单自由度参数识别算例、以及未知激励下多自由度参数识别算例进行了验证,证明了该识别方法的准确性和可行性。
针对考虑转动因素的情况,研究建立了基于平动转动全参数的结构动力学参数和激励识别方法。采用扩展卡尔曼滤波器,以及基于测量加速度信号,对未知激励条件下的结构动力学参数、测点处的平动转动位移及速度进行识别方法研究,并基于识别的动力学参数和状态向量给出了激励估计的方法;建立了考虑转动影响的振动监测系统力学模型,给出其状态方程和测量方程,以及其线性化形式;最后给出基于扩展卡尔曼滤波器的未知激励条件下的全参数辨识的标准化流程。
(3)结构参数已知的振动监测系统实时动倾角识别技术研究
在结构动力学参数已知和外部激励统计信息已知的情况下,研究给出了实时动倾角的识别方法。针对目前基于惯性测量原理的倾斜仪不能测量动态倾角的问题展开分析,给出了与结构动力学参数相关的振动监测力学模型;基于双向加速度监测模式,采用扩展卡尔曼滤波方法,给出表征转动角度动态变化的测量方程以及表征测点位置刚度缩聚后的状态方程,进一步对测量方程和状态方程分别进行了线性化和离散化,构建了时域估计动态转角的基础条件;给出适用于双向加速度监测模式的实时动倾角识别的扩展卡尔曼滤波流程,并采用二维梁模型进行了识别验证,结果证明动态倾角识别精度相较现有技术更优。
(4)基于动态转角的装配式梁桥评估诊断技术研究
针对国内普遍建造的装配式梁桥频繁出现铰缝破坏的问题,研究给出一种基于动态转角的装配式梁桥铰缝损伤监测、预警、诊断的技术方案。基于动态转角识别方法,定义动态转角相关系数作为表征预制梁间协同工作能力的指标;相应设计了适用于装配式梁桥的监测硬件系统和软件架构,以及云端科学计算环境的具体形式;设计了移动式的智能化监测设备和监测方案。为实现在线化运行,给出了动态转角相关系数指标的实时在线递归算法,以及给出了基于该指标的铰缝状态诊断和预警方法。通过基于动态应变和动态转角的装配式梁桥铰缝损伤识别工程案例验证和分析对比,证明了采用动态转角进行铰缝损伤诊断的可行性。
通过本文的研究,向工程结构动态变形监测提供了一种可行的解决方案,可以为解决基于动态变形信息的工程结构动力学状态评估和损伤识别提供更有力的支撑;同时平动转动全参数以及动态转角的识别和测量技术,也为现有的工程结构健康监测提供了新的思路和技术手段,一定程度上填补了目前健康监测中缺乏动态转角监测的技术空白,具有较大的实践价值。