基于小波和奇异值理论的西安钟楼模态参数识别

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随着社会不断发展,环境对古建筑木结构的影响越来越大,环境激励下的健康监测逐渐成为了古建筑木结构研究的重要问题。本文在对国家重点文物保护单位西安钟楼进行强噪声环境激励下振动监测的基础上,通过小波阈值去噪等一系列数据预处理之后,对监测得到的数据运用基于小波和奇异值理论的方法进行了模态参数识别;通过对比根据西安钟楼的实测值识别出的模态参数,按规范计算的参数值和对三维有限元模型模态分析得出的模态参数,验证基于小波和奇异值理论的模态参数识别方法的可行性,主要研究内容包括:(1)本文对钟楼监测所得的振动信号进行了小波阈值去噪,并对各种小波函数的去噪效果进行了对比分析,最终选出了最优去噪小波函数haar小波。(2)基于自然激励技术采用互相关函数代替脉冲响应函数并结合小波和奇异值理论的方法对钟楼木结构进行了模态参数识别,并将所得到的模态参数与ITD方法得到的识别结果进行对比分析。(3)根据钟楼的结构特点,建立钟楼木结构ANSYS有限元模型并对其进行模态分析得出钟楼的模态参数,发现得出的模态参数与使用ITD方法识别结果相符合。(4)根据《古建筑防工业振动技术规范》计算钟楼木结构的模态参数,并对比对有限元模型模态分析得出的模拟值、按照《古建筑防工业振动技术规范》得出的计算值和使用基于小波和奇异值理论识别出的模态参数,得出结论:基于小波和奇异值理论的模态参数识别方法是可行的并可以应用到强噪声环境下古木结构的模态参数识别中。
摘要第3-5页
abstract第5-6页
第1章 绪论第10-18页
    1.1 研究背景以及研究意义第10-12页
    1.2 国内外研究现状第12-16页
        1.2.1 木结构模态参数识别第12-13页
        1.2.2 自然激励技术第13-14页
        1.2.3 小波分析的发展和应用第14-15页
        1.2.4 小波分析和奇异值分解在模态参数识别中的应用第15-16页
    1.3 问题的提出第16页
    1.4 本文研究内容第16-18页
第2章 小波和奇异值理论基础第18-34页
    2.1 引言第18页
    2.2 小波变换第18-23页
        2.2.1 短时傅里叶变换第18页
        2.2.2 连续小波变换第18-19页
        2.2.3 离散小波变换第19-20页
        2.2.4 复Morlet小波第20-22页
        2.2.5 基于小波分析的结构模态参数识别第22-23页
    2.3 奇异值分解原理第23-24页
        2.3.1 奇异值的定义第23-24页
        2.3.2 奇异值的性质第24页
    2.4 基于小波和奇异值理论的模态参数识别第24-26页
    2.5 奇异值分解及模态参数识别的理论证明第26-30页
    2.6 数值仿真第30-32页
    2.7 本章小结第32-34页
第3章 交通荷载激励下的钟楼模态参数识别第34-64页
    3.1 引言第34页
    3.2 西安钟楼建筑结构概况第34-43页
        3.2.1 测试方法第35-36页
        3.2.2 监测参数第36页
        3.2.3 测点布置第36-38页
        3.2.4 测量仪器第38页
        3.2.5 仪器调试第38-39页
        3.2.6 信号采集第39页
        3.2.7 监测过程第39-40页
        3.2.8 监测结果第40-43页
    3.3 数据预处理第43-52页
        3.3.1 去直流第43-44页
        3.3.2 平滑处理第44-45页
        3.3.3 小波函数阈值去噪第45-50页
        3.3.4 消除趋势项第50-52页
    3.4 基于小波和奇异值理论的模态参数识别第52-55页
        3.4.1 自然激励技术第52-53页
        3.4.2 尺度与频率的关系第53-54页
        3.4.3 分离密集模态第54-55页
        3.4.4 端点效应第55页
    3.5 模态参数识别第55-62页
        3.5.1 一阶模态第56-57页
        3.5.2 二阶模态第57-59页
        3.5.3 三阶模态第59-62页
    3.6 本章小结第62-64页
第4章 钟楼模态参数识别对比分析第64-76页
    4.1 引言第64页
    4.2 建立有限元模型第64-70页
        4.2.1 木材的材料参数和截面尺寸第64-65页
        4.2.2 台基和柱础第65-66页
        4.2.3 榫卯节点第66-67页
        4.2.4 屋盖及楼面荷载第67-68页
        4.2.5 建立有限元模型第68-70页
    4.3 钟楼木结构自振频率第70-72页
    4.4 模态参数识别方法可行性分析第72-74页
    4.5 小结第74-76页
第5章 结论与展望第76-78页
    5.1 结论第76页
    5.2 展望第76-78页
参考文献第78-82页
致谢第82-84页
附录第84-88页
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