一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，包括以下步驟：1)在簡(jiǎn)支件上均布多個(gè)應(yīng)變片作為測(cè)點(diǎn)，分別獲得簡(jiǎn)支件在無損和損傷狀態(tài)下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩向量，利用二者的差值確定簡(jiǎn)支件上的損傷部位；2)建立有限元模型并劃分有限元單元，模擬與步驟1)相同的動(dòng)力過程，獲得模擬狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩形成的分析向量；3)根據(jù)步驟1)定位的損傷部位，利用最小二乘法進(jìn)行模型修正，獲得潛在損傷有限元單元的損傷程度。本發(fā)明利用了應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩既對(duì)局部損傷敏感，又具有很好的抗噪聲能力的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)支件損傷前后的變化可直接用于定位結(jié)構(gòu)損傷，應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的良好抗噪能力能有效提升損傷程度識(shí)別的精度。
【專利說明】一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體的，涉及一種基 于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 土木工程結(jié)構(gòu)，包括橋梁，民用建筑，以及工業(yè)廠房等，往往直接關(guān)系到公共財(cái)產(chǎn) 安全。結(jié)構(gòu)從開始建設(shè)到服役過程中，在風(fēng)荷載、地震荷載、人為沖擊荷載、疲勞荷載以及 化學(xué)腐蝕的作用下剛度會(huì)不斷損傷，產(chǎn)生所謂結(jié)構(gòu)損傷，當(dāng)這些損傷積累到一定的程度時(shí)， 會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生負(fù)面影響，嚴(yán)重者甚至引起結(jié)構(gòu)最終失效，造成重大的人員 傷亡和財(cái)產(chǎn)損傷。為了保證結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)和使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全，土木工程師應(yīng)該建 立有效的方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)的早期損傷，建立預(yù)警機(jī)制，使得結(jié)構(gòu)損傷在出現(xiàn)早期即被發(fā)現(xiàn)、修 復(fù)，避免重大事故。因此，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)近幾十年來吸引了世界各國(guó)研宄者的注意，而損傷 識(shí)別方法作為健康監(jiān)測(cè)的重要部分對(duì)準(zhǔn)確定位和定量識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷有著重要意義。
[0003] 由結(jié)構(gòu)損傷引起的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化往往會(huì)引起結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（包括模態(tài)頻率、模 態(tài)振型、模態(tài)阻尼）的變化，因此基于振動(dòng)的損傷識(shí)別方法往往采用模態(tài)參數(shù)以及其推導(dǎo) 出的其它參數(shù)作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)。然而基于模態(tài)指標(biāo)的損傷識(shí)別方法存在的最大缺陷在于 其對(duì)局部損傷不敏感且對(duì)測(cè)量噪聲非常敏感。
[0004] 為了解決基于模態(tài)參數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的這一缺點(diǎn)，本發(fā)明以彎曲型的梁板 簡(jiǎn)支件作為研宄對(duì)象，直接采用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力應(yīng)變時(shí)程的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，結(jié) 合基于最小二乘法的模型修正技術(shù)建立了一種新的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。一方面利用了應(yīng)變 對(duì)于局部損傷敏感的優(yōu)點(diǎn)，避免了損傷識(shí)別中模態(tài)分析的過程，另外一方面，應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩這 一統(tǒng)計(jì)指標(biāo)已經(jīng)被證明具有良好的抗噪聲能力，因而此方法可以很大程度上減少損傷的誤 判。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支 件損傷識(shí)別方法，其采用應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩作為本方法提出的損傷指標(biāo)，一方面擁有應(yīng)變對(duì)于局 部損傷敏感的優(yōu)點(diǎn)，另一方面作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)具有很好的抗噪聲能力，使得此方法具有非常 好的魯棒性；另外，利用應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩對(duì)于局部損傷的敏感性，本方法能識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷程度， 很大程度上減少了優(yōu)化變量個(gè)數(shù)，提高了結(jié)構(gòu)損傷程度識(shí)別的精度和效率。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件 損傷識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0007] 1)在簡(jiǎn)支件上均布多個(gè)應(yīng)變片作為測(cè)點(diǎn)，施加高斯白噪聲激勵(lì)，分別獲得簡(jiǎn)支件 在無損狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩組成的無損向量和損傷狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩形 成的有損向量，計(jì)算損傷前后各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的變化向量并繪制曲線，根據(jù)曲線的突 變位置確定簡(jiǎn)支件上的損傷部位；
[0008] 2)建立簡(jiǎn)支件的有限元模型并劃分有限元單元，有限元單元的各節(jié)點(diǎn)與簡(jiǎn)支件上 各測(cè)點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)，模擬與步驟1)相同的激勵(lì)，獲得模擬狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩形 成的分析向量；
[0009] 3)根據(jù)步驟1)定位的損傷部位，設(shè)置有限元模型上對(duì)應(yīng)于損傷部位位置處的潛 在損傷有限元單元的剛度系數(shù)為優(yōu)化變量，分析向量與有損向量的殘差的二范數(shù)為目標(biāo)函 數(shù)，利用最小二乘法進(jìn)行模型修正，使二范數(shù)最小，獲得潛在損傷有限元單元的損傷程度，， 該損失程度為簡(jiǎn)支件上損傷部位的損傷程度。
[0010] 優(yōu)選地，步驟1)中布置的測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N個(gè)，則第k個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩為
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 在簡(jiǎn)支件上均布多個(gè)應(yīng)變片作為測(cè)點(diǎn)，施加高斯白噪聲激勵(lì)，分別獲得簡(jiǎn)支件在無 損狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩組成的無損向量和損傷狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩形成的 有損向量，計(jì)算損傷前后各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的變化向量并繪制曲線，根據(jù)曲線的突變位 置確定簡(jiǎn)支件上的損傷部位； 2) 建立簡(jiǎn)支件的有限元模型并劃分有限元單元，有限元單元的各節(jié)點(diǎn)與簡(jiǎn)支件上各測(cè) 點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)，模擬與步驟1)相同的動(dòng)力過程，獲得模擬狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩形 成的分析向量； 3) 根據(jù)步驟1)定位的損傷部位，設(shè)置有限元模型上對(duì)應(yīng)于損傷部位位置處的潛在損 傷有限元單元的剛度系數(shù)為優(yōu)化變量，分析向量與有損向量的殘差的二范數(shù)為目標(biāo)函數(shù)， 利用最小二乘法進(jìn)行模型修正，使二范數(shù)最小，獲得潛在損傷有限元單元的損傷程度，該損 失程度為簡(jiǎn)支件上損傷部位的損傷程度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于步 驟1)中布置的測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N個(gè)，則第k個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩為 Mk =3< 其中是第k個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程的標(biāo)準(zhǔn)差，k < N并且
其中Sk (ω)為第k個(gè)測(cè)點(diǎn)的功率譜密度，并且 Sk ( ω ) = ε ( ω ) ε * ( ω ) 其中ε (ω)為各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變組成的應(yīng)變向量在頻域內(nèi)的解，并且
其中，qi為正則坐標(biāo)且
為簡(jiǎn)支件的第i階位移模態(tài)，F(xiàn)(O)為 在簡(jiǎn)支件上所施加的力的傅立葉變換，ω為力變換到頻域內(nèi)的頻率，kpmjP c 別為第i 階模態(tài)剛度、第i階模態(tài)質(zhì)量和第i階模態(tài)阻尼；Φ i為應(yīng)變模態(tài)且
$中φ為 簡(jiǎn)支件的第i階位移模態(tài)，1為沿應(yīng)變方向的長(zhǎng)度變量，b為簡(jiǎn)支件的厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于 所述步驟1)中利用激振設(shè)備進(jìn)行激勵(lì)，所述激振設(shè)備包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和激振 器，所述激振設(shè)備在簡(jiǎn)支件的上部施加服從高斯白噪聲分布的動(dòng)力荷載；應(yīng)變片通過動(dòng)力 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集其動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于步 驟3)包括以下步驟： 3. 1)根據(jù)簡(jiǎn)支件上損傷部位的定位結(jié)果，設(shè)定與簡(jiǎn)支件上的損傷部位對(duì)應(yīng)位置處的潛 在損傷有限元單元的剛度系數(shù)為優(yōu)化變量，該優(yōu)化變量初始值為無損狀態(tài)，取值為1 ;計(jì)算 出有限元模型的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩； 3. 2)利用最小二乘法進(jìn)行模型修正，通過在有限元模型上調(diào)整潛在損傷有限元單元的 剛度系數(shù)α，使得各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩與損傷狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的殘差的二范數(shù) 最?。? 3.3)識(shí)別出的潛在損傷有限元單元的剛度系數(shù)α在O?1之間，進(jìn)而獲得潛在損傷有 限元單元和簡(jiǎn)支件上損傷部位的損傷程度均為l-α。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于步 驟3)中簡(jiǎn)支件的有限元模型采用Euler-Bernoulli梁?jiǎn)卧蛩倪呅伟鍐卧?br> 6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)變統(tǒng)計(jì)矩的簡(jiǎn)支件損傷識(shí)別方法，其特征在于步 驟3)中動(dòng)力時(shí)程分析采用Newmark積分和瑞麗阻尼假設(shè)，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的位移，并且根據(jù)撓 度與應(yīng)變的關(guān)系計(jì)算節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104517036SQ201410802029
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】王丹生, 相偉, 朱宏平 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)