基于卡尔曼滤波法的混凝土声发射信号产生机制的判别

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混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥砂浆等组成的多相复合准脆性材料,具有不均匀性、各向异性、结构离散型以及结构非线性等特点。内部结构复杂、损伤类型多样和带有初始裂缝且裂缝扩展不可预测的混凝土材料在目前的建筑工程材料领域最为普遍。因此对混凝土材料的结构检测、损伤评估一直是重点和难点。声发射现象是材料在外力或内力作用下,产生的变形或损伤以弹性波的形式释放应变能的一种自然现象;是材料受载损伤过程中的伴生现象。结构萌生(微)损伤的同时,也伴随着声发射信号的产生;当结构的受力方式或损伤类型改变,声发射信号特征也会随之发生变化,因此,声发射信号参量是能够用来表征结构的损伤演化。但迄今为止,在混凝土检测领域内,声发射信号参数与混凝土本构参量之间的内在联系研究较少,利用声发射信号对混凝土结构进行损伤评估等探索仍具有广阔的研究前景。本文基于速率过程理论模型等建立新的声发射活性函数,结合损伤力学分析结构损伤程度;基于混凝土统计细观损伤本构关系,分析声发射信号特征参数与混凝土本构参量之间的内在联系;基于无迹卡尔曼滤波法,利用新的声发射活性函数研究声发射信号产生机制识别的方法。对混凝土短柱进行轴心受压试验,根据实测的声发射累积事件数与新的声发射活性函数基于应力水平预测的声发射累积事件数之间的关系,结合卡尔曼滤波系统,对构件破坏过程中的声发射信号生成机制及其相互转化进行分析。论文的主要工作及结论如下:(1)对比、分析两种基于速率过程理论的声发射活性函数及其特点,基于Dai理论模型,建立以应力水平作为自变量的活性函数。对实际轴心压缩的混凝土结构的声发射事件累计数-应力水平关系进行分析,并通过其概率密度函数对结构进行损伤评估,得到损伤变量和声发射事件累积量的定量关系。(2)通过Ohtsu提出的声发射活性函数与混凝土结构压缩破坏过程中的弹性模量演化结合分析,评估混凝土结构初始损伤的先例,同理将基于Dai理论模型建立新的活性函数的特征参量与混凝土结构压缩破坏过程中的弹性模量演化结合分析。利用第二次目标值为破坏的间歇轴心受压实验的数据,建立函数特征参数和本构参量演化之间的关系,评估混凝土结构初始损伤,证明其新活性函数与混凝土本构参量的关联性;同时将新的活性函数用于无迹卡尔曼滤波法中对当前应力水平下的声发射事件累积数的预测。(3)采用无迹卡尔曼滤波系统的优化修正反馈方法,并分析混凝土试件在持荷阶段的声发射信号参数,得到结构破坏过程中以声发射信号生成的第二机制为主的阶段转为第三机制占主导阶段的应力水平,从而在宏观裂纹出现之前进行预警。
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