CN105973554A - 一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，首先将调制参数引入高斯函数，并求其二阶导数，得到用于辨识梁类结构损伤的函数；接着通过在该函数中引入尺度参数，得到适应于噪声环境下辨识梁类结构损伤的函数；然后将梁类结构的振型信号与此抗噪的损伤辨识函数做卷积运算，如果卷积运算结果中存在噪声干扰，则逐步增大尺度参数，直至噪声干扰消失；最后根据卷积运算结果中是否出现峰值来判断梁类结构中是否存在损伤，并根据峰所在位置确定损伤位置。本发明集成了降噪和损伤特征辨识两个功能，能在环境噪声干扰下准确判断梁类结构局部损伤的出现并检测出损伤的位置。

Description

一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法

技术领域

本发明公开了一种检测梁类结构损伤的方法，具体涉及梁类结构损伤检测领域。

背景技术

梁类结构作为最常见的结构形式，在长年服役中产生的微小损伤会积累、演变成危害整体结构可靠运行和安全的宏观损伤。基于这样的考虑，近几十年来各种梁类结构局部损伤检测技术得到快速发展。振型是结构的动力特性之一，但结构局部损伤引起的振型局部变化不明显，因此直接用于结构损伤检测具有局限性。

公开号为CN104849348A的发明专利申请公开了一种基于奇异值分解-小波变换的梁结构损伤检测方法，包括以下步骤：(1)获取梁结构在固有频率下的振动形状信号；(2)用墨西哥小波对振动形状做小波变换得到多尺度小波变换振动形状模态；(3)将奇异值分解作用到多尺度小波变换振动形状模态得到奇异值分解-小波变换振动形状模态的特征图像；(4)根据特征图像中是否出现较大奇异值峰来判断梁结构损伤，并沿着奇异值峰来确定损伤位置。该方案能加强损伤信息的特征，快速、准确地判断损伤，并检测出损伤位置。但是消除环境噪声的影响还不够显著。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：局部损伤引起的振型局部变化不明显，因此梁的振型直接用于梁类结构损伤检测具有局限性，同时考虑到环境噪声会对损伤检测的效果产生干扰，需要建立一种抗噪的由振型奇异检测梁类结构损伤的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，包括如下步骤：

(1)、获取梁结构的模态振型信号W(x)，其中x为振型的空间坐标；

(2)、将调制参数引入高斯函数g(x)，并求其二阶导数，得到用于辨识梁类结构损伤的函数G_A(x)；

(3)、通过在函数G_A(x)中引入尺度参数s，得到用于噪声环境下辨识梁结构损伤的函数

(4)、令将振型信号W(x)与函数做卷积运算，得到其中：上标*为复共轭符号，为卷积运算符号，u为卷积变量；

(5)、取Y(u)的模|y(u)|，如果其中存在噪声引起的毛刺干扰，则逐步增大尺度参数s，重复步骤(4)进行卷积运算，直至噪声引起的毛刺干扰消失；此时根据Y(u)的模中是否出现局部峰值来判断梁结构中是否存在损伤，并根据峰所在位置确定损伤位置。

进一步的，本发明的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，步骤(2)中具体计算如下:

g(x)＝(σ²π)^-1/4exp(-x²/(2σ²))

G(x)＝g(x)exp(iηx)

$G_A\left(x\right)=\frac{d^{2}G\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}=\left(g^{\′\′}\right(x)-{\mathrm{\η}}^{2}g(x)+2{\mathrm{\ηg}}^{\′}(x\left)i\right)\exp \left(i\mathrm{\η}x\right)$

其中g为高斯函数，exp是自然常数e为底的指数函数，d/dx为求导运算，g'为高斯函数的一阶导数，g”为高斯函数的二阶导数；σ²为高斯函数方差，η为调制参数。

进一步的，本发明的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，方差σ²为1/2，调制参数η为3。

进一步的，本发明的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，步骤(5)中逐步增大尺度参数s是指从1逐渐增加到15。

进一步的，本发明的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，振型信号W(x)的获取方法为：用力激励器对梁类结构施加简谐激励，同时用激光扫描测振仪测量梁类结构完好面的稳态振动响应，通过实验模态分析获取梁类结构的振型。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明公开了一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，该方法集成了降噪和损伤特征辨识两个功能，能在环境噪声干扰下准确判断梁类结构局部损伤的出现并检测出损伤的位置。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明中带裂缝悬臂梁类结构的第七阶振型图。

图3是使用本发明带裂缝悬臂梁类结构的损伤检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提出一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)、获取梁结构的模态振型信号W(x)，其中x为振型的空间坐标；

(2)、将调制参数引入高斯函数，并求其二阶导数，得到用于梁类结构辨识损伤的函数G_A(x)；

(3)、通过在函数G_A(x)中引入尺度参数s，得到用于噪声环境下辨识梁结构损伤的函数

(4)、令将振型信号W(x)与函数做卷积运算，得到其中：上标*为复共轭符号，为卷积运算符号，u为卷积变量；

(5)、取Y(u)的模|y(u)|(取实部的平方与虚部的平方之和，然后开根号)，如果其中存在噪声引起的毛刺干扰，则逐步增大尺度参数s，重复步骤(4)进行卷积运算，直至噪声引起的毛刺干扰消失；此时根据Y(u)的模中是否出现局部峰值来判断梁结构中是否存在损伤，并根据峰所在位置确定损伤位置。

实施例所用铝制悬臂梁类结构长543mm，宽30mm，高8mm，在梁类结构背面距离固定端293mm处，有一个预制的宽1.2mm，深2mm，贯穿梁类结构宽度方向的损伤缝。用力激励器对梁类结构施加简谐激励，同时用激光扫描测振仪测量梁类结构完好面的稳态振动响应，通过实验模态分析获取梁类结构的振型。

根据步骤(1)获取带损伤悬臂梁类结构的第七阶振型W₇(下标7表示第七阶)如图2所示，其中横轴表示距离梁固定端距离，纵轴表示振型归一化后的值(取振型最大的相对位移值为1)。从图2中可以看出，无法通过振型局部变化辨识梁类结构局部损伤。

根据步骤(2)-(5)将梁类结构振型W(x)与做卷积运算得到Y₇(u)(下标7表示第七阶)，增大参数3(尺度参数s)到15，直至噪声引起的毛刺干扰消失；Y₇(u)的模中出现局部峰值说明梁类结构中存在损伤，峰对应横轴位置(距离梁固定端约290mm)即为检测到的损伤位置，与实际损伤位置相符，如图3所示。由此可见，本方法能准确判断梁类结构局部损伤的出现并检测出损伤的位置。

本实施例中：激光传感器为德国Polytec公司生产的PSV-400激光扫描测振仪；力激励器为丹麦B&K公司生产的4890模态激振器。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、获取梁类结构的模态振型信号W(x)，其中x为振型的空间坐标；

(2)、将调制参数引入高斯函数g(x)，并求其二阶导数，得到用于辨识梁类结构损伤的函数G_A(x)；

(3)、通过在函数G_A(x)中引入尺度参数s，得到用于噪声环境下辨识梁类结构损伤的函数

(4)、令将振型信号W(x)与函数做卷积运算，得到其中：上标*为复共轭符号，为卷积运算符号，u为卷积变量；

(5)、取Y(u)的模|y(u)|，如果其中存在噪声引起的毛刺干扰，则逐步增大尺度参数s，重复步骤(4)进行卷积运算，直至噪声引起的毛刺干扰消失；此时根据Y(u)的模中是否出现局部峰值来判断梁类结构中是否存在损伤，并根据峰所在位置确定损伤位置。

2.根据权利要求1所述的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中具体计算如下:

g(x)＝(σ²π)^-1/4exp(-x²/(2σ²))

G(x)＝g(x)exp(iηx)

$G_A\left(x\right)=\frac{d^{2}G\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}=\left(g^{\′\′}\right(x)-{\mathrm{\η}}^{2}g(x)+2{\mathrm{\ηg}}^{\′}(x\left)i\right)\exp \left(i\mathrm{\η}x\right)$

其中g为高斯函数，exp是自然常数e为底的指数函数，d/dx为求导运算，g'为高斯函数的一阶导数，g”为高斯函数的二阶导数；σ²为高斯函数方差，η为调制参数。

3.根据权利要求2所述的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，其特征在于，方差σ²为1/2，调制参数η为3。

4.根据权利要求1所述的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，其特征在于，步骤(5)中逐步增大尺度参数s是指从1逐渐增加到15。

5.根据权利要求1所述的一种抗噪的使用振型检测梁类结构损伤的方法，其特征在于，振型信号W(x)的获取方法为：用力激励器对梁类结构施加简谐激励，同时用激光扫描测振仪测量梁类结构完好面的稳态振动响应，通过实验模态分析获取梁类结构的振型。