算子自定义小波有限元理论及其在通信铁塔损伤诊断中的应用研究

In the recent years, the damage and collapse of communication towers have been coming thick and fast because of fatigue, corrosion, wind vibration, earthquake, extreme weather, etc. The structural safety assessment and damage identification has received much attention. This project studies the damage quantitative identification method and techniques of communication towers based on operator custom-designed wavelet finite element theory. The construction theory and adaptive algorithm of operator custom-designed wavelet finite element are proposed to meet the computation requirements of scale-decoupling for engineering problems, which compensate the shortage of traditional wavelet methods in the multiscale computation, such as poor precision, low efficiency, difficult convergence, etc. The dynamic models of damaged communication towers under multi-physical interactive effect are constructed. The feature extraction method of weak high-frequency vibration signal of communication tower damage is presented. On the basis of above studies, a damage quantitative identification method of communication tower using distributed particle swarm optimization-based support vector machine is proposed. The engineering verification and application research of damage quantitative identification method of communication tower are also carried out. It is expected that there will be innovation and breakthrough in the operator custom-designed wavelet finite element theory and the dynamic monitoring and damage quantitative identification of communication tower based on the project. The research will improve the safety and reliability of communication tower and prevent the accidents. It will also achieve remarkable economic and social results.

近年来，由于疲劳、腐蚀、风振、地震、极端气候等复杂因素引起的通信铁塔损毁、倒塌事故层出不穷，其结构安全性评估和损伤识别受到了极大关注。本项目拟系统研究基于算子自定义小波有限元理论的通信铁塔结构损伤定量诊断方法与技术。提出满足工程尺度解耦计算要求的算子自定义小波有限元构造理论与自适应算法，弥补传统小波方法在多尺度计算中存在的精度差、效率低、难以收敛等不足；建立多物理场复合作用下的损伤铁塔结构动力学模型，获取铁塔结构损伤的精确故障数据库；提出通信铁塔结构损伤微弱高频振动信号特征提取方法；在上述基础上，提出基于分布式粒子群支持向量机的通信铁塔结构损伤定量识别方法，开展通信铁塔设备损伤识别的工程验证与应用研究。通过本项目研究，可望在算子自定义小波有限元理论、通信铁塔结构动态监测与损伤定量识别等方面有所创新和突破，将提高我国通信铁塔结构安全可靠运行能力，预防事故发生，取得显著的经济效益和社会效益。

通信铁塔结构损伤引起的安全事故层出不穷，开发有效的通信铁塔监测与故障诊断技术已成为亟需解决的工程问题。本项目深入研究通信铁塔结构损伤多尺度定量诊断方法，主要工作如下：.（1）针对通信铁塔损伤结构动力学特性方程的算子，构造具有尺度解耦特性和高阶消失矩的板、壳等多种类型算子自定义小波单元，提出工程问题的算子自定义小波基选取准则，建立算子自定义小波库。针对复杂多构件铁塔结构系统，提出自适应算子自定义小波有限元法，将尺度提升和局部细化相结合，高效逼近工程问题的真解。计算表明：与传统有限元比，算子自定义小波有限元法计算效率得到有效提高，多尺度计算的解耦比率高，可推广应用于力、热、电磁等物理场多尺度分析。.（2）根据通信铁塔结构损伤类型和特点，建立风振作用、地震等作用下的损伤铁塔结构算子自定义小波有限元多尺度动力学模型，建立通信铁塔结构模态特性与损伤位置、深度之间的定量关系，并建立精确的模态特性数据库。.（3）提出基于自适应总体平均经验模式分解(AEEMD) 和Laplace小波相关滤波方法的通信铁塔结构模态特性参数提取方法，精确提取不同工况下损伤铁塔结构系统的模态特性参数。建立AEEMD方法中自适应加入白噪声的可依据准则，实现信号的自适应抗混分解，准确提取铁塔损伤微弱信号的故障特征。.（4）提出具有优良的逼近与分类性能的光滑函数的支持向量机算法，提高结构损伤识别算法的效率和精度。由于传统支持向量回归机存在算法速度慢、算法复杂而且难以实现等问题，本项目所提出光滑支持向量机具有效率高、所需的存储空间小的优点，为通信铁塔结构损伤定量识别提供新理论与技术。.（5）提出基于算子自定义小波有限元和分布式粒子群支持向量机的通信铁塔结构损伤定量诊断方法，采用AEEMD时频分析方法精确提取损伤结构的模态参数，并作为铁塔损伤数据库的输入，并采用分布式算法思想，利用粒子群优化支持向量机参数，提出分布式粒子群支持向量回归机算法，识别通信铁塔损伤的位置和深度。.（6）针对冲击与环境激励状态通信铁塔结构损伤，结合通信铁塔低阶模态参数测试分析，提出通信铁塔结构损伤定量诊断方法与技术。试验结果表明：通信铁塔损伤位置识别误差小于10.40%，深度识别误差小于12.75%。本项目工作为通信铁塔损伤定量诊断提供方法与技术，将有效提高通信铁塔结构安全可靠运行能力，预防灾难性结构断裂事故。