一种基于应变统计矩的简支件损伤识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于应变统计矩的简支件损伤识别方法，包括以下步骤：1)在简支件上均布多个应变片作为测点，分别获得简支件在无损和损伤状态下各个测点的应变统计矩向量，利用二者的差值确定简支件上的损伤部位；2)建立有限元模型并划分有限元单元，模拟与步骤1)相同的动力过程，获得模拟状态下各节点的应变统计矩形成的分析向量；3)根据步骤1)定位的损伤部位，利用最小二乘法进行模型修正，获得潜在损伤有限元单元的损伤程度。本发明专利技术利用了应变统计矩既对局部损伤敏感，又具有很好的抗噪声能力的优点，简支件损伤前后的变化可直接用于定位结构损伤，应变统计矩的良好抗噪能力能有效提升损伤程度识别的精度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括以下步骤：1)在简支件上均布多个应变片作为测点，分别获得简支件在无损和损伤状态下各个测点的应变统计矩向量，利用二者的差值确定简支件上的损伤部位；2)建立有限元模型并划分有限元单元，模拟与步骤1)相同的动力过程，获得模拟状态下各节点的应变统计矩形成的分析向量；3)根据步骤1)定位的损伤部位，利用最小二乘法进行模型修正，获得潜在损伤有限元单元的损伤程度。本专利技术利用了应变统计矩既对局部损伤敏感，又具有很好的抗噪声能力的优点，简支件损伤前后的变化可直接用于定位结构损伤，应变统计矩的良好抗噪能力能有效提升损伤程度识别的精度。【专利说明】
本专利技术属于土木工程结构健康监测和损伤识别
，更具体的，涉及一种基 于应变统计矩的简支件损伤识别方法。
技术介绍
土木工程结构，包括桥梁，民用建筑，以及工业厂房等，往往直接关系到公共财产 安全。结构从开始建设到服役过程中，在风荷载、地震荷载、人为冲击荷载、疲劳荷载以及 化学腐蚀的作用下刚度会不断损伤，产生所谓结构损伤，当这些损伤积累到一定的程度时， 会对整体结构的受力性能产生负面影响，严重者甚至引起结构最终失效，造成重大的人员 伤亡和财产损伤。为了保证结构的安全运营和使用者的生命财产安全，土木工程师应该建 立有效的方法检测结构的早期损伤，建立预警机制，使得结构损伤在出现早期即被发现、修 复，避免重大事故。因此，结构健康监测近几十年来吸引了世界各国研宄者的注意，而损伤 识别方法作为健康监测的重要部分对准确定位和定量识别结构损伤有着重要意义。 由结构损伤引起的结构参数的变化往往会引起结构模态参数（包括模态频率、模 态振型、模态阻尼）的变化，因此基于振动的损伤识别方法往往采用模态参数以及其推导 出的其它参数作为结构损伤指标。然而基于模态指标的损伤识别方法存在的最大缺陷在于 其对局部损伤不敏感且对测量噪声非常敏感。 为了解决基于模态参数的结构损伤识别方法的这一缺点，本专利技术以弯曲型的梁板 简支件作为研宄对象，直接采用结构的动力应变时程的应变统计矩作为结构损伤指标，结 合基于最小二乘法的模型修正技术建立了一种新的结构损伤识别方法。一方面利用了应变 对于局部损伤敏感的优点，避免了损伤识别中模态分析的过程，另外一方面，应变统计矩这 一统计指标已经被证明具有良好的抗噪声能力，因而此方法可以很大程度上减少损伤的误 判。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于应变统计矩的简支 件损伤识别方法，其采用应变统计矩作为本方法提出的损伤指标，一方面拥有应变对于局 部损伤敏感的优点，另一方面作为统计指标具有很好的抗噪声能力，使得此方法具有非常 好的鲁棒性；另外，利用应变统计矩对于局部损伤的敏感性，本方法能识别结构损伤程度， 很大程度上减少了优化变量个数，提高了结构损伤程度识别的精度和效率。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于应变统计矩的简支件 损伤识别方法，包括以下步骤： 1)在简支件上均布多个应变片作为测点，施加高斯白噪声激励，分别获得简支件 在无损状态下各测点的应变统计矩组成的无损向量和损伤状态下各测点的应变统计矩形 成的有损向量，计算损伤前后各测点的应变统计矩的变化向量并绘制曲线，根据曲线的突 变位置确定简支件上的损伤部位； 2)建立简支件的有限元模型并划分有限元单元，有限元单元的各节点与简支件上 各测点的位置相对应，模拟与步骤1)相同的激励，获得模拟状态下各节点的应变统计矩形 成的分析向量； 3)根据步骤1)定位的损伤部位，设置有限元模型上对应于损伤部位位置处的潜 在损伤有限元单元的刚度系数为优化变量，分析向量与有损向量的残差的二范数为目标函 数，利用最小二乘法进行模型修正，使二范数最小，获得潜在损伤有限元单元的损伤程度，， 该损失程度为简支件上损伤部位的损伤程度。 优选地，步骤1)中布置的测点的个数为N个，则第k个测点的应变统计矩为 【权利要求】1. ，其特征在于包括以下步骤： 1) 在简支件上均布多个应变片作为测点，施加高斯白噪声激励，分别获得简支件在无 损状态下各测点的应变统计矩组成的无损向量和损伤状态下各测点的应变统计矩形成的 有损向量，计算损伤前后各测点的应变统计矩的变化向量并绘制曲线，根据曲线的突变位 置确定简支件上的损伤部位； 2) 建立简支件的有限元模型并划分有限元单元，有限元单元的各节点与简支件上各测 点的位置相对应，模拟与步骤1)相同的动力过程，获得模拟状态下各节点的应变统计矩形 成的分析向量； 3) 根据步骤1)定位的损伤部位，设置有限元模型上对应于损伤部位位置处的潜在损 伤有限元单元的刚度系数为优化变量，分析向量与有损向量的残差的二范数为目标函数， 利用最小二乘法进行模型修正，使二范数最小，获得潜在损伤有限元单元的损伤程度，该损 失程度为简支件上损伤部位的损伤程度。2. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤1)中布置的测点的个数为N个，则第k个测点的应变统计矩为 Mk =3< 其中是第k个测点的应变时程的标准差，k < N并且其中Sk (ω)为第k个测点的功率谱密度，并且 Sk ( ω ) = ε ( ω ) ε * ( ω ) 其中ε (ω)为各个测点应变组成的应变向量在频域内的解，并且其中，qi为正则坐标且为简支件的第i阶位移模态，F(O)为 在简支件上所施加的力的傅立叶变换，ω为力变换到频域内的频率，kpmjP c 别为第i 阶模态刚度、第i阶模态质量和第i阶模态阻尼；Φ i为应变模态且$中φ为 简支件的第i阶位移模态，1为沿应变方向的长度变量，b为简支件的厚度。3. 根据权利要求1所述的，其特征在于 所述步骤1)中利用激振设备进行激励，所述激振设备包括信号发生器、功率放大器和激振 器，所述激振设备在简支件的上部施加服从高斯白噪声分布的动力荷载；应变片通过动力 数据采集设备采集其动应变响应时程。4. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤3)包括以下步骤： 3. 1)根据简支件上损伤部位的定位结果，设定与简支件上的损伤部位对应位置处的潜 在损伤有限元单元的刚度系数为优化变量，该优化变量初始值为无损状态，取值为1 ;计算 出有限元模型的应变统计矩； 3. 2)利用最小二乘法进行模型修正，通过在有限元模型上调整潜在损伤有限元单元的 刚度系数α，使得各节点的应变统计矩与损伤状态下各测点的应变统计矩的残差的二范数 最小； 3.3)识别出的潜在损伤有限元单元的刚度系数α在O?1之间，进而获得潜在损伤有 限元单元和简支件上损伤部位的损伤程度均为l-α。5. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤3)中简支件的有限元模型采用Euler-Bernoulli梁单元或四边形板单元。6. 根据权利要求1所述的，其特征在于步 骤3)中动力时程分析采用Newmark积分和瑞丽阻尼假设，计算出测点的位移，并且根据挠 度与应变的关系计算节点的应变。【文档编号】G06F19/00GK104517036SQ201410802029【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月22日 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于应变统计矩的简支件损伤识别方法，其特征在于包括以下步骤：1)在简支件上均布多个应变片作为测点，施加高斯白噪声激励，分别获得简支件在无损状态下各测点的应变统计矩组成的无损向量和损伤状态下各测点的应变统计矩形成的有损向量，计算损伤前后各测点的应变统计矩的变化向量并绘制曲线，根据曲线的突变位置确定简支件上的损伤部位；2)建立简支件的有限元模型并划分有限元单元，有限元单元的各节点与简支件上各测点的位置相对应，模拟与步骤1)相同的动力过程，获得模拟状态下各节点的应变统计矩形成的分析向量；3)根据步骤1)定位的损伤部位，设置有限元模型上对应于损伤部位位置处的潜在损伤有限元单元的刚度系数为优化变量，分析向量与有损向量的残差的二范数为目标函数，利用最小二乘法进行模型修正，使二范数最小，获得潜在损伤有限元单元的损伤程度，该损失程度为简支件上损伤部位的损伤程度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹生，相伟，朱宏平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42