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基于无线传感网络的大型结构振动测试分析及应用

作　者: 刘俊磊
导　师: 樊可清
学　校: 五邑大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 无线传感器网络大型结构振动测试频域分解峰值检测
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

大型土木结构,如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、海洋钻井平台等,在使用过程中,寿命受自身及周围环境众多因素影响。材料老化、载荷的长期效应、疲劳效应、突变效应、环境侵蚀等因素的耦合作用,不可避免地导致结构的损伤累计和抗力衰减,致使其抵御自然灾害如台风、地震、暴雨等的能力下降。有些建筑结构甚至在运营当中,轰然倒塌,造成重大人员及财产损失。结构损伤会导致结构动态特性的变化,结构的动力学特性可以用它的模态参数加以完整的描述。因此,采用试验设备测量大型结构在环境激励下的响应,应用模态参数辨识方法提取结构的模态频率、振型、阻尼等动态特征参数,观察结构模态参数的变化对结构进行状态监测,是近年来土木工程领域研究的热点。文章以正在建设中的深圳证券交易所营运中心大楼为工程背景,对超长悬挑抬升裙楼在环境激励下的振动进行测试。运用传统的有线测试系统,由于现场布线施工难度大、成本高、系统维护困难等缺陷,在此很难发挥作用。应工程实际需要,以斯坦福大学Yang Wang和Kincho H.Law课题组开发的无线节点为硬件平台,集成了基于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)的大型结构振动测试系统论文首先介绍了集成的基于WSN的振动测试系统,对测试系统的组成模块、传感器模块、数据采集模块、无线通信模块、数据显示及分析模块做了详细的介绍。其次,对常用的模态分析办法PP法、FDD法进行了介绍,并采用MATLAB软件编程实现了两种算法。在实验室自制的简支梁模型上,采用NI公司的PXI1052测试系统,完成了8路传感器同步测试试验。利用PP法、FDD法进行模态参数辨识,得到了简支梁的模态频率及振型,验证了两种算法的有效性。然后,以在建的深圳交易所营运中心大楼的巨型悬挑结构为试验平台,进行多路传感器的同步测试试验,分析了现场测试中遇到的常见问题,并对传感器的布置方案,进行了讨论。另外介绍了工程中常用的振动信号预理方法,包括采样数据的标定变换、数据中心化处理、消除趋势项等方法,并对采集到实测数据进行分析。最后,采用模态参数辨识力法,提取结构的模态参数,并与理论值进行对比分析。试验结果表明,集成的基于WSN的振动测试系统在实际工程结构的振动测试中是有效的,尤其适用于大型结构的施工过程监测。论文结尾对文章所做工作进行总结,并对下一步的工作进行展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-16
  1.1 大型结构振动测试与分析的特点及现状  10-13
  1.2 基于无线传感器网络(WSN)的环境振动测试方法  13-14
  1.3 论文研究的主要内容及结构安排  14-16
第二章基于WSN的振动测试系统  16-25
  2.1 无线传感器网络(WSN)概述  16-18
  2.2 无线传感器网络系统结构  18-25
    2.2.1 传感器模块  19
    2.2.2 无线节点数据采集模块  19-21
    2.2.3 无线通信模块  21-22
    2.2.4 数据显示及分析模块  22-25
第三章大型结构模态参数识别方法  25-34
  3.1 大型结构振动测试与分析的特点  25-26
  3.2 峰值检测法(PP)  26-29
  3.3 频域分解法(FDD)  29-32
  3.4 本章小结  32-34
第四章基于WSN的大型结构振动测试分析应用案例  34-55
  4.1 工程概况  34-35
  4.2 本工程测试与分析的总体要求  35-38
    4.2.1 抬升裙楼变形监测  35-36
    4.2.2 抬升裙楼钢结构应变监测  36-38
    4.2.3 抬升裙楼结构动力特性监测  38
  4.3 振动测试的传感器布置方案  38-41
    4.3.1 两传感器布置方案  39
    4.3.2 多路传感器布置方案  39-40
    4.3.3 传感器布置遇到问题及解决方法  40-41
  4.4 振动测试信号预处理及平稳性分析  41-48
    4.4.1 振动测试信号预处理方法  41-46
    4.4.2 振动测试信号平稳性分析  46-47
    4.4.3 现场环境激励的特点及应对措施  47-48
  4.5 模态参数辨识方法  48-53
    4.5.1 实测数据的特点及模态参数辨识方法  48-50
    4.5.2 峰值检测法(PP)辨识结果  50-51
    4.5.3 频域分解法(FDD)辨识结果  51-53
  4.6 模态参数辨识结果的对比分析  53-54
  4.7 本章小结  54-55
第五章总结与展望  55-58
  5.1. 论文主要工作与结论  55-56
  5.2. 展望  56-58
参考文献  58-62
攻读硕士学位论文期间发表的论文  62-63
致谢  63

基于无线传感网络的大型结构振动测试分析及应用

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