CN104502533A - 一种损伤识别中数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种损伤识别中数据处理方法，包括：结构出现损伤后，结构动力特征会发生改变，包括系统的应力、应变、速度、加速度、位移的变化；对位移、速度和加速度的处理。本发明所述损伤识别中数据处理方法，可以克服现有技术中可靠性低、操作过程复杂和成本高等缺陷，以实现可靠性高、操作过程简单和成本低的优点。

Description

一种损伤识别中数据处理方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及一种损伤识别中数据处理方法。

背景技术

目前基于振动信号的土木工程损伤识别技术受到国内外广大科研者的认可，由于信号的获取较容易，通常只需要简单仪器就能获取，并且处理起来比较方便，因此受到了广泛应用。在结构健康监测方面，损伤识别技术一直都是困扰世界各国工程师的一个难题，而且是一个必须攻克的核心问题，损伤识别技术直接影响结构健康监测的发展。当前损伤诊断技术还不太完善，一些识别技术无法很好地识别结构的损伤，也无法很好地评估结构的运营状态，离实用性还有很长的一段路要走。基于振动信号的损伤识别技术具有广泛的研究前景，其现实价值不可估量，它涉及到了很多的理论知识，包括结构动力学理论、随机振动理论、遗传算法理论、频响函数理论、残余力向量法理论、信息科学理论等一系列科学知识，同时控制科学与工程、计算机科学与技术、系统论在损伤识别中都有广泛的应用，因此结构损伤识别技术拥有强大的理论背景。

判断土木工程结构是否存在损坏，这是健康监测的第一步，也决定了接下来工作的方向。确定结构发生损伤后，接下来是要找到损伤发生的具体位置，这是损伤识别技术中重点要研究的问题之一，也是研究的关键和难点问题。知道了具体的损伤位置，然后评估结构的损伤严重程度，对结构进行健康诊断的目的就是要知道结构损伤的严重程度，它为结构加固，维修和使用提供了依据，最后对工程结构剩余使用年限进行预测。近100年来结构健康诊断技术取得了一些重大成绩，20世纪中叶主要以目测来检查识别结构的损伤，刚开始主要应用于检测桥梁工程的安全。对于海洋平台而言，其损伤监测研究开始于70年代，目前国内外取得了一些重要的研究成果，70年代至今，结构健康诊断技术逐渐趋于完善，知识工程的应用等把结构损伤识别技术推向了智能化和信息化。虽然结构健康诊断技术逐渐趋向了信息化和智能化，但人工检测仍然是当前主要的诊断方法，如局部法、目测法等方法，此类方法不能第一时间发现结构的损伤，具有诸多缺点，因此应用起来具有较大局限。例如美国姥岛大桥裂纹被发现时已经发展了3天，因未第一时间发现裂纹而造成了重大经济损失，而且对于结构的一些隐蔽部位和一些无法接近的部位，人工检测尚无法识别，这也是其缺陷之一。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可靠性低、操作过程复杂和成本高等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种损伤识别中数据处理方法，以实现可靠性高、操作过程简单和成本低的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种损伤识别中数据处理方法，包括：

结构出现损伤后，结构动力特征会发生改变，包括系统的应力、应变、速度、加速度、位移的变化；

对位移、速度和加速度的处理。

进一步地，所述对位移、速度和加速度的处理，具体包括：

对于多自由度体系，考虑粘滞阻尼影响，其运动方程为：

$M\stackrel{\·\·}{X}=C\stackrel{\·\·}{X}+Y=F\left(t\right)---(2-21)$

把结构的位移X采用振型分解为

X＝ΦY                       (2-22)

式(2-22)可写成分量形式

由(2-22)可把运动方程式(2-21)表示如下(广义坐标的形式)

$\mathrm{M\Φ}\stackrel{\·\·}{Y}=\mathrm{C\Φ}\stackrel{\·}{Y}+\mathrm{K\ΦY}=F\left(t\right)---(2-24)$

其中，Y并不是振型幅值，而是其广义坐标矢量；X为体系位移向量；是振型矩阵里的元素；F(t)为体系外加激励向量。

本发明各实施例的损伤识别中数据处理方法，由于包括：结构出现损伤后，结构动力特征会发生改变，包括系统的应力、应变、速度、加速度、位移的变化；对位移、速度和加速度的处理；从而可以克服现有技术中可靠性低、操作过程复杂和成本高的缺陷，以实现可靠性高、操作过程简单和成本低的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种损伤识别中数据处理方法。

本发明的技术方案中，损伤识别中数据处理方法：

结构出现损伤后，结构动力特征会发生改变，如系统的应力、应变、速度、加速度、位移等会发生变化。此外，随着科学的发展结构的材料越加轻质，高度越来越高，阻尼逐渐变低，风对结构的健康状况影响越来越大，风的卓越频率和工程的频率越加接近，风荷载成为了高耸结构不可忽视的荷载。随着地球的自转和公转，冷热的交替，气候的不断改变，大多数工程结构所处环境不是恒定的，时时刻刻在变化着，其中影响最重要的一个因素是温度的改变，温度的变化(如较大温差等)能导致结构热胀冷缩，甚至会使结构内部出现裂纹，严重制约着结构的使用寿命，因此在结构健康诊断中，对于温度的处理也是必须要考虑的重要因素。

位移、速度和加速度的处理：

对于多自由度体系，考虑粘滞阻尼影响，其运动方程为：

$M\stackrel{\·\·}{X}=C\stackrel{\·\·}{X}+Y=F\left(t\right)---(2-21)$

把结构的位移X采用振型分解为

X＝ΦY                   (2-22)

式(2-22)可写成分量形式

由(2-22)可把运动方程式(2-21)表示如下(广义坐标的形式)

$\mathrm{M\Φ}\stackrel{\·\·}{Y}=\mathrm{C\Φ}\stackrel{\·}{Y}+\mathrm{K\ΦY}=F\left(t\right)---(2-24)$

其中，Y并不是振型幅值，而是其广义坐标矢量；X为体系位移向量；是振型矩阵里的元素；F(t)为体系外加激励向量。

根据正交性(这里用振型正交)，有

$M_j{\stackrel{\·\·}{Y}}_j+C_j{\stackrel{\·}{Y}}_j+K_j{Y}_j=F_{\mathrm{gj}}\left(t\right)(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N)---(2-25)$ 式(2-25)也可改为

${\stackrel{\·\·}{Y}}_j+{2\mathrm{\ξ}}_j{{\mathrm{\ω}}_j\stackrel{\·}{Y}}_j+{{\mathrm{\ω}}_j}^2{Y}_j=P_j\left(t\right)(j=\mathrm{1,2},\·\·\·,N)---(2-26)$

其中， $M_j={\mathrm{\Φ}}_j^{T}M{\mathrm{\Φ}}_j,C_j={\mathrm{\Φ}}_j^{T}C{\mathrm{\Φ}}_j=2{\mathrm{\ξ}}_j{\mathrm{\ω}}_j{M}_j,K_j={\mathrm{\Φ}}_j^{T}K{\mathrm{\Φ}}_j={\mathrm{\ω}}_j^2{M}_j,F_{\mathrm{gj}}\left(t\right)={\mathrm{\Φ}}_j^{T}F\left(t\right)$ 分别为体系相应的广义量。而

一自由度体系运动方程与式(2-26)是一样的，故式(2-26)动力响应是

$Y_j\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{h}_j(t-s)P_j\left(s\right)\mathrm{ds}---(2-27)$

其中，单位脉冲响应函数是h(t)。

体系随机位移响应可以根据式(2-27)与(2-23)求出

根据式(2-28)可求解得体系响应的期望与相关系数分别是

对于均值为0的白噪声干扰分量，其互相关函数是

如果τ＝0同时i＝j，则体系分量方差可以写成

其中 $T_k=\frac{{\mathrm{\Φ}}_k^{T}S{\mathrm{\Φ}}_k}{{\mathrm{\Φ}}_k^{T}C{\mathrm{\Φ}}_k},$ 故

根据上式，对于体系而言，结构的振型与刚度决定了体系的位移方差，如果知道体系位移方差，就可以间接知道系统损伤的状况，包括位置和程度，工程运用中一般是对体系多个重要位置进行研究，对这些重要部位的方差进行提取，利用其它一些推算方法，计算出结构的刚度和模态，基于此对结构实行损伤识别。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种损伤识别中数据处理方法，其特征在于，包括：

结构出现损伤后，结构动力特征会发生改变，包括系统的应力、应变、速度、加速度、位移的变化；

对位移、速度和加速度的处理。

2.根据权利要求1所述的损伤识别中数据处理方法，其特征在于，所述对位移、速度和加速度的处理，具体包括：

对于多自由度体系，考虑粘滞阻尼影响，其运动方程为：

$M\stackrel{\·\·}{X}+C\stackrel{\·}{X}+Y=F\left(t\right)---(2-21)$

把结构的位移X采用振型分解为

X＝ΦY  (2-22)

式(2-22)可写成分量形式

由(2-22)可把运动方程式(2-21)表示如下(广义坐标的形式)

$\mathrm{M\Φ}\stackrel{\·\·}{Y}+\mathrm{C\Φ}\stackrel{\·}{Y}+\mathrm{K\ΦY}=F\left(t\right)---(2-24)$

其中，Y并不是振型幅值，而是其广义坐标矢量；X为体系位移向量；是振型矩阵里的元素；F(t)为体系外加激励向量。