CN108287194A - 基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法 - Google Patents

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刁延松
孙作凤
徐菁
毛辉
郭孔政
屠康
王玉梅
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Abstract

本发明提出一种基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，属于结构损伤识别领域，该方法利用局部特征尺度分解技术将加速度响应信号分解为多个内禀尺度分量，选择对结构损伤较敏感的内禀尺度分量，参照信号波形处理技术中的波形指数的定义计算其波形指数，利用结构损伤前后内禀尺度分量波形指数的变化量构造结构损伤预警指标，进行结构损伤预警，该方法能够有效克服经验模态分解和局部均值分解存在的无效分量多、端点效应和模态混叠问题，可操作性强，提高了预警准确度。

Description

基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法
技术领域
本发明属于结构损伤识别领域，尤其涉及一种基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法。
背景技术
土木工程结构在使用过程中会产生不同程度的损伤，这些损伤会导致结构的安全性降低，如果不及时采取有效的修复或加固措施，最终会导致结构的破坏，危及人们的生命和财产安全，因此有必要进行结构的损伤识别研究。目前，人们研究并提出了许多结构损伤识别方法，其中，基于振动响应分析的结构损伤识别方法被认为是一种具有广泛应用前景的方法。
近年来，时频分析方法(经验模态分解和局部均值分解等)，提供了非线性非平稳信号时间域与频率域的联合分布信息，已被用在机械结构的故障诊断和土木工程的损伤识别中。然而，经验模态分解和局部均值分解均存在端点效应明显、运算时间长、模态混叠现象等局限性。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提出一种基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，其利用局部特征尺度分解技术将加速度响应信号分解为多个内禀尺度分量，选择对结构损伤较敏感的内禀尺度分量，参照信号波形处理技术中的波形指数的定义计算其波形指数，利用结构损伤前后内禀尺度分量波形指数的变化量构造结构损伤预警指标，进行结构损伤预警，该方法能够有效克服经验模态分解和局部均值分解存在的无效分量多、端点效应和模态混叠问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，包括如下步骤：
步骤1：获取结构加速度响应信号x(t)；
步骤2：将加速度响应信号x(t)通过局部特征尺度分解技术分解，得：
式(1)中，p为内禀尺度分量的数量，ISCi(t)为加速度响应信号x(t)的第i阶内禀尺度分量，rn(t)为剩余分量；
步骤3：根据信号波形处理技术中波形指数的定义，计算第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)，其计算公式为：
式(2)中，N为第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的点数；
进而，计算结构损伤前后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)的变化量ΔFk(i)，其计算公式为：
式(3)中，为结构损伤前内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数，为结构损伤后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数；
步骤4：定义M个对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的波形指数的变化量ΔFk(i)之和为损伤预警指标DI，如下：
式(4)中，M为对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的数量，M<p；
假定结构未损伤时的损伤预警指标DI服从正态分布，采用3σ准则确定阈值ε，当计算得到的损伤预警指标DI≤ε时，结构未损伤，当损伤预警指标DI＞ε时，结构已损伤，发出损伤预警。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供的基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，其针对振动信号一般为非线性非平稳的特点，通过结构损伤前后内禀尺度分量波形指数的变化量构造损伤预警指标，进行结构损伤预警，克服了经验模态分解和局部均值分解存在的无效分量多、端点效应和模态混叠问题，可操作性强，提高了预警准确度。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，包括如下步骤：
步骤1：获取结构加速度响应信号x(t)。
步骤2：将加速度响应信号x(t)通过局部特征尺度分解技术分解，得：
式(1)中，p为内禀尺度分量的数量，ISCi(t)为加速度响应信号x(t)的第i阶内禀尺度分量，rn(t)为剩余分量。需要说明的是，局部特征尺度分解是一种新的自适应时频分析方法，它将原始信号分解成若干个瞬时频率具有物理意义的相互独立的单分量信号-内禀尺度分量和一个剩余趋势之和，由于内禀尺度分量包含信号局部特征，通过分析每个内禀尺度分量可以精确地得到原始振动信号的特征信息。因而，局部特征尺度分解在保留经验模态分解优点的同时，能够减少无效分量，改善端点效应和模态混叠问题。
步骤3：根据信号波形处理技术中波形指数的定义，计算第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)，其计算公式为：
式(2)中，N为第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的点数；
进而，计算结构损伤前后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)的变化量ΔFk(i)，其计算公式为：
式(3)中，为结构损伤前内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数，为结构损伤后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数。
步骤4：考虑到损伤可能引起不同的内禀尺度分量的波形指数Fk(i)发生不同程度的变化，因此，定义M个对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的波形指数的变化量ΔFk(i)之和为损伤预警指标DI，如下：
式(4)中，M为对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的数量，M<p。
假定结构未损伤时的损伤预警指标DI服从正态分布，采用3σ准则确定阈值ε，当计算得到的损伤预警指标DI≤ε时，结构未损伤，当损伤预警指标DI＞ε时，结构已损伤，发出损伤预警。

Claims (1)

1.基于局部特征尺度分解和波形指数的结构损伤预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取结构加速度响应信号x(t)；
步骤2：将加速度响应信号x(t)通过局部特征尺度分解技术分解，得：
式(1)中，p为内禀尺度分量的数量，ISCi(t)为加速度响应信号x(t)的第i阶内禀尺度分量，rn(t)为剩余分量；
步骤3：根据信号波形处理技术中波形指数的定义，计算第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)，其计算公式为：
式(2)中，N为第i阶内禀尺度分量ISCi(t)的点数；
进而，计算结构损伤前后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数Fk(i)的变化量ΔFk(i)，其计算公式为：
式(3)中，为结构损伤前内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数，为结构损伤后内禀尺度分量ISCi(t)的波形指数；
步骤4：定义M个对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的波形指数的变化量ΔFk(i)之和为损伤预警指标DI，如下：
式(4)中，M为对结构损伤较敏感的内禀尺度分量的数量，M<p；
假定结构未损伤时的损伤预警指标DI服从正态分布，采用3σ准则确定阈值ε，当计算得到的损伤预警指标DI≤ε时，结构未损伤，当损伤预警指标DI＞ε时，结构已损伤，发出损伤预警。
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