基于改进Crazy Climber算法的小波脊线提取及模态参数识别研究

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近年来,随着土木工程结构设计理论及技术的不断发展,结构的功能、规模、造型越来越多样化、复杂化。因此,对工程结构的健康监测、安全评估也越来越引起人们的关注,模态参数识别是结构健康监测的关键研究问题。本文对基于连续小波变换参数识别中的小波脊线提取及应用问题进行了研究。小波脊线包含的幅值和相位信息,是结构模态参数识别的重要因素,提取的脊线是否精确影响到参数识别的准确性。Crazy Climber算法是目前使用较多的提取算法,但是该方法运算速率较慢,并不利于实际应用,本文基于这一不足之处进行改进,并将改进Crazy Climber算法提取出的脊线应用于小波理论的模态参数识别当中。本文基于连续小波变换结构参数识别中多脊线提取问题进行深入研究。主要研究内容有以下几点:(1)阐述了连续小波变换的原理和实现过程,从信号小波脊线概念、小波脊线提取方法等方面进行了理论研究。并针对脊线提取方法中的相位法、模极大值法、Crazy Climber等算法进行了比较。(2)针对Crazy Climber算法计算耗时较长、效率低这一问题,提出了一种模拟正火冷却的改进Crazy Climber脊线提取算法。首先,利用温度的变化速率影响到各点聚集在脊线附近快慢这一思想,采用模拟正火冷却算法跟踪提取时频平面中的小波脊点,促使每一个随机点快速的聚集在脊线上。然后,将其应用于单自由度及多自由度结构系统,通过对改进Crazy Climber算法与传统Crazy Climber算法提取脊线的计算效率及识别精度进行对比分析,结果表明本文改进算法在精度基本不变的前提下,运算速率大大提高。最后,讨论几种影响精度的因素,如母小波参数选择、度量阈值设定、脊线长度设定,并对此提出参数设定原则,提高了小波脊线提取的精度。(3)将改进Crazy Climber算法与小波理论模态参数识别相结合,验证改进算法识别结构系统模态参数的正确性。首先,推导基于改进Crazy Climber算法的模态参数识别过程公式,将小波脊线上的小波系数模值对数及相位信息拟合为曲线,再由曲线的斜率计算得到系统模态参数。然后,对多自由度振动系统进行数值模拟,验证改进算法的正确性。最后,进行多层钢框架模型进行模态参数识别测试试验,进一步验证识别方法的正确性。
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