希爾伯特-黃（HHT）結構健康監測方法於多樓層結構材料參數改變之應用

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羅偉宸(Wei-Chen Luo) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

希爾伯特-黃（HHT）結構健康監測方法於多樓層結構材料參數改變之應用
(Application of Hilbert-Huang Transform Structural Health Monitoring Method to the Changing of Material Parameters in Multi-story Structure)

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摘要(中)

非破壞性檢測的發展，改善了傳統檢測，並提高了效率，過往對於結構建物的安全檢測方法，大多都採用傅立葉轉換（Fourier Transform，FT）作為分析數值的方法，是由地震所激發出來的結構物反應訊號，從其時間域轉換成頻率域來觀察。傅立葉轉換是利用不隨時變的預設基底展開訊號，所以只適合處理線性、穩態的訊號，因而無法得到訊號瞬時變動的特性。在結構物的安全監測方面，要處理地震力這種非線性、非穩態的訊號，需要更完善的方法來進行分析。
希爾伯特-黃轉換（Hilbert-Huang Transform，HHT）是一個較突破的時頻域分析方法，它具備了後定基底以及局部隨適基底兩大特性，故適合處理非線性、非穩態的訊號。此方法可將原始訊號展開為時間域與頻率域上的能量分布情形，之後並進一步分析結構物的動態特質，讓其結構更加安全。
目前HHT SHM分析方法是以希爾伯特-黃轉換為核心，整合了若干個數值分析方法而成，再利用希爾伯特邊際譜擷取想要觀察之資訊，定義出結構物模態參數的資訊。
本研究使用有限元素軟體ABAQUS建立多樓層之鋼構模型，於基底施加地震加速度歷時，接著提取輸出之頂樓資料以HHT SHM方法進行分析，再將訊號轉換成希爾伯特時頻譜，並提取模態參數振動特性。之後比較不同模型之分析結果，探討材料參數改變對模態參數之影響，從中分為彈性段斜率折減、塑性段斜率折減來分析。更進一步分析結構物局部樓層柱子塑性斜率上折減，對於模態參數與趨勢的影響。

摘要(英)

The development of non-destructive testing has improved traditional testing and increased efficiency. In the past, most of the safety testing methods for structures and buildings used Fourier Transformas as a method to analyze the vibration signal, which were induced by earthquakes. The structure response signal is converted from the time domain to the frequency domain for analysis. Fourier transform uses a prior base that does not change at any time to expand the signal, so it is only suitable for processing linear and stationary signals, and therefore cannot obtain the characteristics of instantaneous changes in the signal. In terms of safety monitoring of structures, to deal with the non-linear and nonstationary signals of seismic forces, a more complete method is needed for analysis.
Hilbert-Huang Transform （HHT） is a breakthrough in time-frequency domain analysis. So suitable for processing nonlinear and nonstationary signal. This method can expand the original signal into the energy distribution in the time domain and the frequency domain, and then further analyze the dynamic characteristics of the structure to access the safety of the structure.
The current HHT SHM analysis method is based on the Hilbert-Huang transformtion as the core and integrates several numerical analysis methods. The Hilbert marginal spectrum to extract the information that you want to observe and define information the modal parameters of the structure.
This study uses the finite element software ABAQUS to build a multi-story steel structure model, applies seismic acceleration to the base, and then extracts the output top floor acceleration data on output for analysis using the HHT SHM method, and then converts the signal into the Hilbert time spectrum and extracts the model state parameter vibration characteristics. After comparing the analysis results of different models, the influence of material parameter changes on the modal parameters is discussed, and the analysis is divided into the slope reduction of the elastic section and the reduction of the plastic section of stress vs strain curre. Here we further analyze whether the reduction in the plastic slope of the local floor columns of the structure has an effect on the modal parameters and trends.

關鍵字(中)

★ 有限元素分析
★ ABAQUS
★ 希爾伯特-黃轉換
★ 多樓層
★ 結構樓層折減
★ 模態參數

關鍵字(英)

★ finite element analysis
★ ABAQUS
★ Hilbert-Huang transform(HHT)
★ multi-story
★ structural floor reduction
★ modal parameters

論文目次

摘要
ABSTRACT I
致謝 II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X
第1章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法與目的 1
1.3 研究架構 2
第2章文獻回顧 3
2.1 非破壞檢測 3
2.2 模態參數識別方法 3
2.3 材料性質-鋼材 4
第3章以有限元素軟體ABAQUS模擬與分析 7
3.1 材料參數設計 7
3.1.1 彈性模數改變 8
3.1.2 塑性模數改變 8
3.2 ABAQUS介紹與建模 8
3.2.1 零件（Part） 9
3.2.2 材料性質（Property） 11
3.2.3 組裝（Assembly） 12
3.2.4 交互作用（Interaction） 12
3.2.5 網格（Mesh） 13
3.2.6 元素（Element） 13
3.2.7 頻率提取程序 14
3.2.8 阻尼設定 15
3.3 分析之作業流程 16
3.3.1 分析步（Step） 16
3.3.2 振幅（Amplitude） 18
3.3.3 載重（Load） 19
3.3.4 邊界條件（Boundary Condition） 19
3.3.5 分析專案（Job） 19
3.3.6 分析結果（Result） 19
第4章 HHT SHM分析方法介紹 21
4.1 HHT SHM分析流程 21
4.2 希爾伯特-黃轉換（HHT） 21
4.2.1 經驗模態分解法（Empirical Mode Decomposition） 22
4.2.2 希爾伯特轉換（Hilbert Transform） 24
4.2.3 希爾伯特頻譜（Hilbert Spectrum，HSP） 26
4.2.4 希爾伯特邊際頻譜（Hilbert Marginal Spectrum） 27
4.2.5 HHT SHM延伸分析方法 27
4.3 模態參數擷取 28
第5章材料性質折減模擬多樓層結構物 30
5.1 彈性段斜率折減 31
5.2 塑性段斜率折減 48
5.3 模型樓板密度改變 66
5.4 樓層柱子局部折減 70
5.5 結構特性相關參數 80
5.6 模態參數判別方式 83
第6章結論與未來建議 85
6.1 結論 85
6.2 未來建議 86
參考文獻 88
附錄一、 90

參考文獻

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[2] 非破壞性檢測分類
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[3] 傅立爾轉換（Fourier Transform）
http://par.cse.nsysu.edu.tw/~cbyang/course/algo/article_fourier.pdf
[4] 黃瓊珠、莊士賢、李汴軍、王得跟，2008，小波轉換應用於潮位資料品管之研究，30 屆海洋工程研討會論文集，國立交通大學。
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[7] 邱群翔，2019，「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。
[8] Wu, Z.H. and Huang, N.E., “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.
[9] 時頻分析方法應用於電力品質訊號的解析
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[10] ABAQUS基本操作流程
https://wenku.baidu.com/view/9640f8ddeefdc8d377ee3248.html
[11] 中央氣象局地震測報中心：集集地震各地震度原始資料
19990921集集地震各地震度原始資料(ASCI) (cwb.gov.tw)
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[15] 黃進國，2009，「梁結構損傷偵測」，國立中央大學，博士論文。
[16] 張皓瑋，2020，「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。
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[18] 胡宣德，2007，「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，行政院國家科學委員會專題研究計畫。

指導教授

蔣偉寧(Wei-Ning Jiang)

審核日期

2021-7-27

推文