一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，首先將調(diào)制參數(shù)引入高斯函數(shù)，并求其二階導數(shù)，得到用于辨識梁類結(jié)構(gòu)損傷的函數(shù)；接著通過在該函數(shù)中引入尺度參數(shù)，得到適應于噪聲環(huán)境下辨識梁類結(jié)構(gòu)損傷的函數(shù)；然后將梁類結(jié)構(gòu)的振型信號與此抗噪的損傷辨識函數(shù)做卷積運算，如果卷積運算結(jié)果中存在噪聲干擾，則逐步增大尺度參數(shù)，直至噪聲干擾消失；最后根據(jù)卷積運算結(jié)果中是否出現(xiàn)峰值來判斷梁類結(jié)構(gòu)中是否存在損傷，并根據(jù)峰所在位置確定損傷位置。本發(fā)明集成了降噪和損傷特征辨識兩個功能，能在環(huán)境噪聲干擾下準確判斷梁類結(jié)構(gòu)局部損傷的出現(xiàn)并檢測出損傷的位置。
【專利說明】
一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明公開了一種檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，具體涉及梁類結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 梁類結(jié)構(gòu)作為最常見的結(jié)構(gòu)形式，在長年服役中產(chǎn)生的微小損傷會積累、演變成 危害整體結(jié)構(gòu)可靠運行和安全的宏觀損傷?；谶@樣的考慮，近幾十年來各種梁類結(jié)構(gòu)局 部損傷檢測技術(shù)得到快速發(fā)展。振型是結(jié)構(gòu)的動力特性之一，但結(jié)構(gòu)局部損傷引起的振型 局部變化不明顯，因此直接用于結(jié)構(gòu)損傷檢測具有局限性。
[0003] 公開號為CN104849348A的發(fā)明專利申請公開了一種基于奇異值分解-小波變換的 梁結(jié)構(gòu)損傷檢測方法，包括以下步驟：（1)獲取梁結(jié)構(gòu)在固有頻率下的振動形狀信號；（2)用 墨西哥小波對振動形狀做小波變換得到多尺度小波變換振動形狀模態(tài)；（3)將奇異值分解 作用到多尺度小波變換振動形狀模態(tài)得到奇異值分解-小波變換振動形狀模態(tài)的特征圖 像；（4)根據(jù)特征圖像中是否出現(xiàn)較大奇異值峰來判斷梁結(jié)構(gòu)損傷，并沿著奇異值峰來確定 損傷位置。該方案能加強損傷信息的特征，快速、準確地判斷損傷，并檢測出損傷位置。但是 消除環(huán)境噪聲的影響還不夠顯著。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：局部損傷引起的振型局部變化不明顯，因此梁的 振型直接用于梁類結(jié)構(gòu)損傷檢測具有局限性，同時考慮到環(huán)境噪聲會對損傷檢測的效果產(chǎn) 生干擾，需要建立一種抗噪的由振型奇異檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提出一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，包括如下步驟：
[0007] (1)、獲取梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型信號W(x)，其中X為振型的空間坐標；
[0008] (2)、將調(diào)制參數(shù)引入高斯函數(shù)g(x)，并求其二階導數(shù)，得到用于辨識梁類結(jié)構(gòu)損 傷的函數(shù)Ga(x);
[0009] (3)、通過在函數(shù)Ga(x)中引入尺度參數(shù)s，得到用于噪聲環(huán)境下辨識梁結(jié)構(gòu)損傷的 函數(shù) = G 丨(一）；
[0010] (4)、令瓦;(x) = G/(-x)，將振型信號W(x)與函數(shù)5(_τ)做卷積運算，得到
[(幻=# ,其中：上標*為復共輒符號，(g)為卷積運算符號，u為卷積變量；
[0011] (5)、取Y(u)的模|y(u)|，如果其中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參 數(shù)s，重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲引起的毛刺干擾消失;此時根據(jù)Y(u)的模中是否 出現(xiàn)局部峰值來判斷梁結(jié)構(gòu)中是否存在損傷，并根據(jù)峰所在位置確定損傷位置。
[0012] 進一步的，本發(fā)明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，步驟(2)中具 體計算如下：
[0013] g(x) = (o2ji)-1/4exp(-x2/(2〇2))
[0014] G(x) =g(x)exp( ?ηχ)
[0015]
[0016] 其中g(shù)為高斯函數(shù)，/ = exp是自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)，d/dx為求導運算，g' 為高斯函數(shù)的一階導數(shù)，g"為高斯函數(shù)的二階導數(shù);σ2為高斯函數(shù)方差，η為調(diào)制參數(shù)。
[0017] 進一步的，本發(fā)明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，方差〇2為1/ 2,調(diào)制參數(shù)η為3。
[0018] 進一步的，本發(fā)明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，步驟(5)中逐 步增大尺度參數(shù)s是指從1逐漸增加到15。
[0019] 進一步的，本發(fā)明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，振型信號W (X)的獲取方法為：用力激勵器對梁類結(jié)構(gòu)施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振儀測量梁類 結(jié)構(gòu)完好面的穩(wěn)態(tài)振動響應，通過實驗模態(tài)分析獲取梁類結(jié)構(gòu)的振型。
[0020] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0021] 本發(fā)明公開了一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，該方法集成了降噪 和損傷特征辨識兩個功能，能在環(huán)境噪聲干擾下準確判斷梁類結(jié)構(gòu)局部損傷的出現(xiàn)并檢測 出損傷的位置。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的方法流程示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明中帶裂縫懸臂梁類結(jié)構(gòu)的第七階振型圖。
[0024] 圖3是使用本發(fā)明帶裂縫懸臂梁類結(jié)構(gòu)的損傷檢測結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：
[0026]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技 術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還 應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0027] 本發(fā)明提出一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，如圖1所示，包括如下 步驟：
[0028] (1)、獲取梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型信號W(x)，其中X為振型的空間坐標；
[0029] (2)、將調(diào)制參數(shù)引入高斯函數(shù)，并求其二階導數(shù)，得到用于梁類結(jié)構(gòu)辨識損傷的 函數(shù)Ga(x);
[0030] (3)、通過在函數(shù)Ga(x)中引入尺度參數(shù)s，得到用于噪聲環(huán)境下辨識梁結(jié)構(gòu)損傷的 函數(shù)(7 (x) = G' ); s
[0031] (4)、令:^(x) =仏/(-X)，將振型信號W(x)與函數(shù)^：(為做卷積運算，得到 y(H) = ,其中：上標*為復共輒符號，參為卷積運算符號，u為卷積變量；
[0032] (5)、取Y(u)的模I y(u) I (取實部的平方與虛部的平方之和，然后開根號），如果其 中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參數(shù)s，重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲 引起的毛刺干擾消失;此時根據(jù)Y(u)的模中是否出現(xiàn)局部峰值來判斷梁結(jié)構(gòu)中是否存在損 傷，并根據(jù)峰所在位置確定損傷位置。
[0033] 實施例所用錯制懸臂梁類結(jié)構(gòu)長543mm，寬30mm，高8mm，在梁類結(jié)構(gòu)背面距離固定 端293mm處，有一個預制的寬1.2mm，深2mm，貫穿梁類結(jié)構(gòu)寬度方向的損傷縫。用力激勵器對 梁類結(jié)構(gòu)施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振儀測量梁類結(jié)構(gòu)完好面的穩(wěn)態(tài)振動響應，通 過實驗模態(tài)分析獲取梁類結(jié)構(gòu)的振型。
[0034] 根據(jù)步驟(1)獲取帶損傷懸臂梁類結(jié)構(gòu)的第七階振型W7(下標7表示第七階)如圖2 所示，其中橫軸表示距離梁固定端距離，縱軸表示振型歸一化后的值(取振型最大的相對位 移值為1)。從圖2中可以看出，無法通過振型局部變化辨識梁類結(jié)構(gòu)局部損傷。
[0035] 根據(jù)步驟(2)-(5)將梁類結(jié)構(gòu)振型W(x)與iu-)做卷積運算得到h(u)(下標7表 示第七階），增大參數(shù)3(尺度參數(shù)s)到15,直至噪聲引起的毛刺干擾消失;Y 7(u)的模中出現(xiàn) 局部峰值說明梁類結(jié)構(gòu)中存在損傷，峰對應橫軸位置(距離梁固定端約290mm)即為檢測到 的損傷位置，與實際損傷位置相符，如圖3所示。由此可見，本方法能準確判斷梁類結(jié)構(gòu)局部 損傷的出現(xiàn)并檢測出損傷的位置。
[0036] 本實施例中：激光傳感器為德國Polytec公司生產(chǎn)的PSV-400激光掃描測振儀;力 激勵器為丹麥B&K公司生產(chǎn)的4890模態(tài)激振器。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的部分實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 、獲取梁類結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型信號WU)，其中X為振型的空間坐標； (2) 、將調(diào)制參數(shù)引入高斯函數(shù)g(x)，并求其二階導數(shù)，得到用于辨識梁類結(jié)構(gòu)損傷的 函數(shù)Ga(x); (3) 、通過在函數(shù)Ga(x)中引入尺度參數(shù)S，得到用于噪聲環(huán)境下辨識梁類結(jié)構(gòu)損傷的函 敬(4) 、令57切=64/(-刊，將振型信號胖^)與函數(shù)而(、)做卷積運算，得到叫:/) = ^@每；的)， 其中：上標*為復共輛符號，@為卷積運算符號，U為卷積變量； (5) 、取パu)的模|y(u)|，如果其中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參數(shù)S， 重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲引起的毛刺干擾消失;此時根據(jù)Y(u)的模中是否出現(xiàn) 局部峰值來判斷梁類結(jié)構(gòu)中是否存在損傷，并根據(jù)峰所在位置確定損傷位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，其特征在于， 步驟(2)中具體計算如下：其中旨為高斯函數(shù)，/ = ^/馬，6邱是自然常數(shù)6為底的指數(shù)函數(shù)，(1/扯為求導運算，旨'為高 斯函數(shù)的一階導數(shù)，g"為高斯函數(shù)的二階導數(shù);σ2為高斯函數(shù)方差，η為調(diào)制參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，其特征在于， 方差σ2為1/2,調(diào)制參數(shù)η為3。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，其特征在于， 步驟(5)中逐步增大尺度參數(shù)S是指從1逐漸增加到15。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結(jié)構(gòu)損傷的方法，其特征在于， 振型信號W(x)的獲取方法為：用力激勵器對梁類結(jié)構(gòu)施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振 儀測量梁類結(jié)構(gòu)完好面的穩(wěn)態(tài)振動響應，通過實驗模態(tài)分析獲取梁類結(jié)構(gòu)的振型。
【文檔編號】G01M7/02GK105973554SQ201610322538
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】曹茂森, 徐煒, 朱祥, 韓奕, 潘麗霞
【申請人】河海大學