基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法，步骤如下：通过有限元模拟各工况的损伤模式，对其实施模态分析，获取固有频率及振型，建立损伤模式数据库；在结构任意i,j位置安装两个传感器，采集加速度信号a

【技术实现步骤摘要】
基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法


[0001]本专利技术涉及建筑结构安全性能评估
，具体涉及一种基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法。

技术介绍

[0002]地震后对灾区建筑结构进行安全性能评估意义重大，对于传统的损伤检测方法，如：目测法、倾斜法及一些传统的动力指纹的检测方法无法进行结构安全性能的快速评估。
[0003]考虑到大型土木结构存在人为激励困难、结构复杂及测量点繁多等问题，目前，大多数与传递率函数有关的损伤识别方法只能实现结构损伤的定位，不能有效估算结构损伤程度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服大型土木结构人为激励困难、结构复杂及测量点繁多等问题，提供一种基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法，快速识别结构损伤的位置与程度，实现震后灾区建筑结构安全性能快速评估。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法，所述结构损伤快速识别方法包括以下步骤：
[0007]S1、通过有限元软件仿真模拟待识别的结构各种损伤工况的有限元模型，然后通过模态分析计算，获取各种损伤工况下结构的固有频率及振型数据；
[0008]S2、建立损伤模式数据库，其中，所述损伤模式数据库包括以各种损伤工况标签命名的子目，并将模拟得到的各种损伤工况下的固有频率和振型数据分别存储在相应损伤标签的子目中，形成损伤模式数据库；
[0009]S3、将待识别结构的任意位置i、j作为测量点并且各安装一个加速度传感器，
[0010]S3、将待识别结构的任意位置i、j作为测量点并且各安装一个加速度传感器，分别采集待识别结构在随机激励下的加速度信号a
i
(t)和a
j
(t)；
[0011]S4、对加速度信号a
i
(t)进行自功率谱分析，对加速度信号a
i
(t)与a
j
(t)进行互功率谱分析，其中，加速度信号a
i
(t)自功率谱定义式如下：
[0012][0013][0014]其中为信号a
i
(t)自相关函数，G
ii
(ω)为信号a
i
(t)自功率谱密度；
[0015]加速度信号a
i
(t)与a
j
(t)互功率谱定义式如下：
[0016]R
ij
(τ)＝E[a
i
(t)a
j
(t+τ)][0017][0018]其中R
ij
(τ)为加速度信号a
i
(t)和a
j
(t)互相关函数，G
ij
(ω)为加速度信号a
i
(t)和a
j
(t)互功率谱密度；
[0019]S5、通过自功率谱、互功率谱的幅值之比得到局部传递率函数的幅值α
ij
(ω)，定义式如下：
[0020][0021]其中α
ij
(ω)为两测量点i、j求得的局部传递率函数的幅值，abs(
·
)为求幅值函数；
[0022]S6、根据信号局部传递率函数构造匹配因子矩阵Λ
ij
如下：
[0023][0024]其中，α
ij
(ω
Nn
)为两测量点i、j求得的局部传递率函数在固有频率为ω
Nn
处的幅值；
[0025]S7、根据损伤模式数据库构造损伤模式矩阵Ψ
ij
如下：
[0026][0027]其中ω
Nn
为第N种工况第n阶固有频率，φ
i
(ω
Nn
)、φ
j
(ω
Nn
)，分别为两测量点i、j处的同阶振型值，N＝1，2，3，...，n＝1，2，3，...；
[0028]S8、根据相似性度量准则，对匹配因子矩阵Λ
ij
与损伤模式矩阵Ψ
ij
进行相似性度量，从中找出相似度最高的工况即视为待检测结构的实际损伤状况，构造模式匹配指标PMI；
[0029]S9、找出模式匹配指标PMI中所求最大值对应的模式编号，根据模式编号索引与之对应的工况标签，此标签上附带的损伤位置与损伤程度信息即视为检测工况的实际损伤情况。
[0030]进一步地，所述有限元模型还包括损伤位置与损伤程度。
[0031]进一步地，所述步骤S8中采用欧式距离进行相似性度量，公式如下：
[0032][0033]其中I＝1，2，...，N，J＝1，2，...，n，Λ
ij
(I，J)、Ψ
ij
(I，J)分别为匹配因子矩阵Λ
ij
与损伤模式矩阵Ψ
ij
中对应第I行、第J列位置元素，d(Λ
ij
(I，J)，Ψ
ij
(I，J))为N维距离向
量；
[0034]构造模式匹配指标PMI如下：
[0035]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0036]1)本专利技术以模式匹配为前提，根据局部传递率函数的物理意义选取匹配因子用于损伤识别，匹配过程不涉及复杂的算法、不涉及收敛性问题，因此能够实现结构损伤位置与程度的快速识别。
[0037]2)本专利技术提出的方法，建立匹配因子矩阵时不依赖激励信号，无需识别模态参数，具有良好的实际工程应用前景。
[0038]3)局部传递率函数为两测量点间的动力传递关系，因此，模式匹配与其结合能实现只需少量传感器数据，就能定位损伤位置、量化损伤程度，降低了传感器的数量和成本。
附图说明
[0039]图1是本专利技术实施例一中公开的基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法；
[0040]图2是本专利技术实施例一中数值模拟层间剪切模型图；
[0041]图3是本专利技术实施例一中数值模拟测得的加速度原始信号示意图；
[0042]图4是本专利技术实施例一中数值模拟所测加速度信号的频谱图；
[0043]图5是本专利技术实施例一中数值模拟无损工况识别结果图；
[0044]图6是本专利技术实施例一中数值模拟单损工况f1_d38识别结果图；
[0045]图7是本专利技术实施例一中数值模拟双损工况f1_d38_f3_d18识别结果图；
[0046]图8是本专利技术实施例一中数值模拟三损工况f1_d18_f3_d38_f4_d38识别结果图；
[0047]图9是本专利技术实施例二中实验层间剪切模型图；
[0048]图10是本专利技术实施例二中实验所测加速度信号的频谱图；
[0049]图11是本专利技术实施例二中实验无损工况识别结果图；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于局部传递率函数与模式匹配的结构损伤快速识别方法，其特征在于，所述结构损伤快速识别方法包括以下步骤：S1、通过有限元软件仿真模拟待识别的结构各种损伤工况的有限元模型，然后通过模态分析计算，获取各种损伤工况下结构的固有频率及振型数据；S2、建立损伤模式数据库，其中，所述损伤模式数据库包括以各种损伤工况标签命名的子目，并将模拟得到的各种损伤工况下的固有频率和振型数据分别存储在相应损伤标签的子目中，形成损伤模式数据库；S3、将待识别结构的任意位置i、j作为测量点并且各安装一个加速度传感器，分别采集待识别结构在随机激励下的加速度信号a
i
(t)、a
j
(t)；S4、对加速度信号a
i
(t)进行自功率谱分析，对加速度信号a
i
(t)与a
j
(t)进行互功率谱分析，其中，加速度信号a
i
(t)自功率谱定义式如下：(t)自功率谱定义式如下：其中为信号a
i
(t)自相关函数，G
ii
(ω)为信号a
i
(t)自功率谱密度；加速度信号a
i
(t)与a
j
(t)互功率谱定义式如下：R
ij
(τ)＝E[a
i
(t)a
j
(t+τ)]其中R
ij
(τ)为信号a
i
(t)和a
j
(t)互相关函数，G
ij
(ω)为信号a
i
(t)和a
j
(t)互功率谱密度；S5、通过自功率谱、互功率谱的幅值之比得到局部传递率函数的幅值α
ij
(ω)，定义式如下：其中α
ij
(ω)为两测量点i、j求得的局部传递率函数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂振华，沈清伟，马宏伟，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：