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研究生:謝晉瑋
研究生(外文):Chin-Wei Hsieh
論文名稱:改變結構物材料參數在HHT結構健康監測方法之應用
論文名稱(外文):Application of Changing Structural Material Parameters in Hilbert-Huang Transform Structural Health Monitoring Method
指導教授:蔣偉寧蔣偉寧引用關係
指導教授(外文):Wei-Ling Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:土木工程學系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:有限元素分析ABAQUS模態參數時頻分析希爾伯特-黃轉換時頻域放大函數
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過去在結構安全監測領域,大多採用傅立葉轉換(Fourier Transform, FT)作為分析方法,將地震外力激發出的結構反應訊號由時間域轉為頻率域觀察。但是傅立葉轉換使用不隨時變的諧和函數作為基底函數來展開訊號,只適合處理線性、穩態的訊號,無法獲得訊號瞬時變動的特性。在結構安全監測領域,用以處理地震力與結構振動反應等非線性、非穩態的訊號,則需更完善的方法進行分析。
希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transform,HHT)為一較新穎的時頻分析技術,其具有後定基底與局部隨適基底兩大特性,適合用於解析非線性、非穩態的訊號。此轉換方法可將原始訊號表示為在時間域與頻率域上的能量分布情形,以便進一步觀察結構物隨時間變化之動態特性。HHT SHM方法則是以希爾伯特-黃轉換為核心,整合了一些數值分析方法而成,透過時頻域放大函數(Time-Frequency Domain Amplification Function, T.F.AF)以及模態時間曲線(Modal Temporal Variation Curve, MTVC),找出能代表結構動態資訊的模態參數。
本研究使用雙線性材料,以改變彈性模數來模擬結構物之弱化情形,又將其分為「彈性段斜率E折減」、「降伏應力σ_y折減」以及「塑性段斜率Ep折減」三部分進行分析。透過有限元素軟體ABAQUS建立研究模型,並輸入地震外力進行分析,由結果提取出基底與樓頂之加速度歷時資料。接著將加速度訊號以HHT SHM方法轉為時頻譜,由時頻譜上擷取模態振動特質,計算出模態參數。最後探討彈性模數改變的各種情形對於模態參數的影響,並且歸納出改變趨勢,以便解讀日後於實際案例中測得之模態參數。
In the past, Fourier Transform (FT) was mostly used in the field of structural health monitoring as the analysis method to convert the structural response signals excited by seismic forces from the time domain to the frequency domain. However, Fourier Transform uses time-invariant bases to expand the signal which is only suitable for processing linear and stationary signals, and the characteristics of instantaneous signal fluctuations cannot be obtained. In order to deal with nonlinear and non-stationary signals such as seismic forces and structure responses, more sophisticated methods are needed for analysis.
Hilbert-Huang Transform (HHT) is a relatively new time-frequency analysis technique featuring with two characteristics of posteriori base and adaptive base, which is suitable for the analysis of nonlinear and non-stationary signals. This conversion can express the original signal as an energy distribution in time-frequency domain, so as to further observe the dynamic characteristics of the structure over time. HHT SHM is a method based on Hilbert-Huang Transform and integrates some numerical analysis methods. Through the time-frequency domain amplification function (T.F.AF) and the modal temporal variation curve (MTVC), we can find out the modal parameters that can represent the dynamic information of the structure.
In this study, bilinear materials are used to simulate the weakening of structures by changing the elastic modulus. The simulation can be divided into "elastic slope reduction", "yield stress reduction" and "plastic slope reduction ". Through the finite element software ABAQUS, a research model is established. We then apply seismic forces on the base for analysis and obtain the acceleration data of the base and the roof. To proceed, the acceleration signal is converted into a time-frequency spectrum by HHT SHM method, and the modal vibration characteristics can be extracted from the spectrum. Finally, we discuss the impact of altering elastic modulus on the modal parameters, and summarize the trend in order to interpret the modal parameters measured in actual cases in the future.
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xiii
一、 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3 論文架構 2
二、 文獻回顧 3
2-1 鋼的材料特性 3
2-2 非破壞性檢測 4
2-3 模態參數識別方法 5
2-4 有限元素模型於HHT SHM方法之應用 7
三、 以有限元素軟體ABAQUS模擬分析 8
3-1 材料參數之設計 8
3-1-1 彈性段斜率改變 10
3-1-2 降伏應力改變 10
3-1-3 塑性段斜率改變 12
3-2 建立研究模型 15
3-2-1 零件(Part) 15
3-2-2 材料性質(Property) 16
3-2-3 組裝(Assembly) 和 交互作用 (Interaction) 17
3-2-4 元素(Element) 18
3-2-5 網格(Mesh) 20
3-2-6 頻率提取程序 20
3-2-7 阻尼設定 24
3-3 分析作業流程 27
3-3-1 分析步(Step) 27
3-3-2 震幅(Amplitude) 27
3-3-3 載重(Load) 和 邊界條件(Boundary Condition) 29
3-3-4 分析作業(Job) 29
3-3-5 分析結果(Result) 29
四、 HHT SHM 分析方法介紹 31
4-1 HHT SHM 分析流程 31
4-2 希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transform) 31
4-2-1 經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition) 32
4-2-2 總體經驗模態分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition) 34
4-2-3 希爾伯特轉換(Hilbert Transform) 34
4-2-4 希爾伯特時頻譜(Hilbert Spectrum) 36
4-3 時頻域放大函數(T.F.AF) 37
4-3-1 A.F.m 38
4-3-2 A.F.f 38
4-4 模態時間曲線(MTVC) 39
4-5 模態參數 40
五、 彈性模數折減模擬結構物之弱化情形 42
5-1 彈性段斜率折減 43
5-2 降伏應力折減 51
5-3 塑性段斜率折減 59
5-4 彈性模數折減結果之綜合比較 89
5-5 模態參數之判讀方法 94
六、 結論與建議 95
6-1 結論 95
6-2 建議 96
參考文獻 98
附錄一 100
[1] 劉德俞,「應用希爾伯特黃轉換方法改進結構系統識別方法於橋梁振動訊號之研究」,國立中央大學,博士論文,民國100年。
[2] 蘇聖中,「結構物強震觀測資料之『希爾伯特-黃』結構健康診斷方法」,國立中央大學,博士論文,民國104年。
[3] 邱群翔,「有限元素模型於希爾伯特-黃結構健康監測方法之應用-以不同阻尼為例」,國立中央大學,碩士論文,民國108年。
[4] 張奕翔,「應用HHT SHM 法於單塔脊背橋結構健康監測」,國立中央大學,碩士論文,民國107年。
[5] 胡宣德,「鋼管混凝土柱受純彎矩載重之非線性有限元素分析」,國立成功大學土木工程學系,行政院國家科學委員會專題研究計畫,民國96年。
[6] Huang, N. E., C. C. Chern, K. Huang, L. W. Salvino, S. R. Long, and K. L. Fan, “A New Spectral Representation of Earthquake Data: Hilbert Spectral Analysis of Station TCU129, Chi-Chi, Taiwan,21September 1999”, Bull. Seism. Soc. Am, Vol. 91 issue 5, pp.1310-1338, Seismological Society of America, October 2001.
[7] Cohen, L., Time-frequency Analysis, Prentice-Hall, New York, USA, December1994.
[8] Huang, N. E., Z. Shen, S. R. Long, M. C. Wu, H. H. Shih, Q. Zheng, N.-C. Yen,C. C. Tung, H. H. Liu, “The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-Stationary Time Series Analysis”, Proc. Roy. Soc.London, Vol. 454A, pp. 903-993, The Royal Society, March 1998.
[9] Dassault Systèmes Simulia Corp.、士盟瑞其CAE團隊,最新Abaqus實務入門,全華圖書,2013年。
[10] 中央氣象局地震測報中心:集集地震各地震度原始資料。2020年6月10日,取自https://scweb.cwb.gov.tw/special/19990921pga.asp。
[11] 黃進國,「梁結構損傷偵測」,國立中央大學,博士論文,民國98年。
[12] 維基百科:希爾伯特-黃轉換。2020年6月18日,取自https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%8C%E7%88%BE%E4%BC%AF%E7%89%B9-%E9%BB%83%E8%BD%89%E6%8F%9B。
[13] 維基百科:希爾伯特轉換。2020年6月18日,取自https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B8%8C%E7%88%BE%E4%BC%AF%E7%89%B9%E8%BD%89%E6%8F%9B。
[14] 維基百科:解析訊號。2020年6月20日,取自https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%A3%E6%9E%90%E4%BF%A1%E5%8F%B7。
[15] Wu, Z., and N. E Huang, “Ensemble Empirical Mode Decomposition: A Noise-Assisted Data Analysis Method”, Advances in Adaptive Data Analysis. Vol.1No.1, pp. 1-41, World Scientific, January 2009.
[16] Wu, Z., and N. E. Huang, “A Study of the Characteristics of White Noise Using the Empirical Mode Decomposition Method”, Proc. Roy. Soc. London, Vol. 460A,pp. 1597-1611, The Royal Society, June 2004.
[17] 內政部營建署,「含被動消能系統建築物之設計」,建築物耐震設計規範及解說,民國100年。
[18] Wai-Fah Chen, Da-Jian Han, Plasticity for Structural Engineers, Reprint Edition, J. Ross Publishing, 2007.
[19] 非破壞檢測協會_非破壞檢測技術簡介What is NTD? 2020年6月20日,取自http://www.sntct.org.tw/whatisntd.php。
[20] 張皓瑋,「改變地震大小於HHT結構健康監測方法之應用」,國立中央大學,碩士論文,民國109年。
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