基于时域响应重构的损伤识别方法及系统、设备、存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时域响应重构的损伤识别方法及系统、设备、存储介质，所述基于时域响应重构的损伤识别方法采用应变响应提取模态响应，并基于重构模态响应和提取模态响应的差异信息作为有限元模型修正的依据，利用了结构应变对损伤的高灵敏度，提高了识别精度，通过不断对有限元模型进行修正，直至重构值和提取值之间的差异最小，此时迭代后的有限元模型与实际损伤结构最为接近，从而根据最终迭代后的累积损伤因子得到损伤识别结果，整个识别过程无需外载荷信息，也无需进行模态识别，通过高效的时域应变重构即可在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别，能更好地适应复杂测量环境的结构健康监测。测量环境的结构健康监测。测量环境的结构健康监测。

【技术实现步骤摘要】
基于时域响应重构的损伤识别方法及系统、设备、存储介质


[0001]本专利技术涉及结构健康监测
，特别地，涉及一种基于时域响应重构的损伤识别方法及系统、电子设备、计算机可读取的存储介质。

技术介绍

[0002]土木结构的性能在其运营阶段会随着时间推移而下降，从而影响结构的安全性和耐久性，因此，结构健康监测技术一直是国内外的研究热点。土木结构损伤形式多样、损伤位置隐蔽，由于土木结构形式复杂、尺度大等特点，很难对土木结构损伤进行准确识别，若放任损伤不断发展，很有可能导致重大安全事故，因此，开展土木结构损伤识别研究具有重要意义。
[0003]现有结构损伤识别方法的基本原理是损伤会导致结构物理特性发生变化，该变化会反映在实际测量的结构动态响应中，通过分析结构动态响应的变化实现损伤识别。在现有基于模型的损伤识别方法中，频域方法主要的识别参数包括频率、振型和曲率模态等，该方法需要在频域上识别模态参数，具有一定的复杂性且难以保证计算精度；而时域方法，如基于响应灵敏度的识别方法，需要通过外部激励和结构动态响应的关系来进行损伤识别，具有数据量充足、识别精度高的特点，但需要准确的外荷载信息，而实际结构的外荷载通常难以获取；而时频域方法，如基于小波包灵敏度的识别方法，此种方法同样需要获取外荷载信息，而且需在时频域上进行正向运算和反向运算，其计算效率较低，过程繁复。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于时域响应重构的损伤识别方法及系统、电子设备、计算机可读取的存储介质，以解决现有损伤识别方法需要准确获取外载荷信息才能进行损伤识别的技术问题。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于时域响应重构的损伤识别方法，包括以下内容：
[0006]采用经验模态分解法从实际损伤结构的每个测量位置的应变响应中提取出应变模态响应；
[0007]基于提取出的应变模态响应和无损伤模型的应变模态重构得到无损伤模型中每个测量位置的应变模态响应；
[0008]对于同一测量位置，基于重构的应变模态响应和提取的应变模态响应构建应变模态响应差异向量；
[0009]对构建的应变模态响应差异向量进行最小化迭代优化求解，得到损伤识别结果。
[0010]进一步地，基于下式求解无损伤模型的应变模态：
[0011][0012]其中，Φ
(k)
表示无损伤模型中第k个单元的应变模态，B
(k)
表示第k个单元的应变位
移矩阵，表示第k个单元的振型指数。
[0013]进一步地，无损伤模型中每个测量位置的应变模态响应的重构过程具体为：
[0014]结构中两个测量位置处应变的模态响应在同一时刻t存在如下关系：
[0015][0016]其中，下标a和b表示测量位置，下标j表示模态阶次，Φ表示应变模态，δ表示应变模态响应；
[0017]由提取出的测量位置a处的应变模态响应重构得到测量位置b处的应变模态响应：
[0018][0019]其中，上标r和m分别表示重构值和测量值。
[0020]进一步地，应变模态响应差异向量的构建过程具体为：
[0021]将损伤识别问题表述为使实际损伤结构与无损伤模型之间有关结构特性的信息差异最小值问题：
[0022][0023]其中，其中，表示使用实际损伤结构的应变模态重构得到的应变模态响应向量，表示使用无损伤模型的应变模态重构得到的应变模态响应向量，上标r表示重构值，下标d和f分别表示实际损伤结构和无损伤模型，w表示对角加权矩阵，||
·
||表示范数，表示损伤因子向量，Nr,Nt,n分别表示重构次数、每个传感器记录的时刻数目和参与损伤识别的损伤参数数目；
[0024]令其中，Δδ
r
表示应变模态响应差异向量；
[0025]使用对应测量位置提取出的应变模态响应替代使用实际损伤结构的应变模态重构得到的应变模态响应，则上标m表示测量值。
[0026]进一步地，所述对构建的应变模态响应差异向量进行最小化迭代优化求解，得到损伤识别结果的过程具体为：
[0027]基于高斯
‑
牛顿迭代法构造迭代过程中应变模态响应差异向量与损伤因子向量增量的关系式如下：
[0028][0029]其中，表示第k次迭代中重构值对损伤因子向量的灵敏度矩阵，上标k表示第k次迭代，Δα
k
表示第k次迭代所得到的损伤因子向量增量，Δδ
r,k
表示第k次迭代所得到的应变模态响应差异向量，则前k次迭代后的累积损伤因子向量
[0030]设置灵敏度矩阵、累积损伤因子向量和应变模态响应差异向量的初始值分别为α0、Δδ
r,0
；
[0031]采用阻尼最小二乘法对损伤因子向量增量Δα
k
进行迭代求解，求解表达式为：
[0032][0033]其中，上标T表示转置，λ表示非负阻尼正则化参数，表示单位矩阵，
[0034]不断迭代，当满足如下条件时，迭代结束：
[0035][0036]其中，tol表示迭代容许值；
[0037]根据迭代结束后的累积损伤因子向量α
k
确定实际损伤结构的损伤位置和损伤程度。
[0038]进一步地，在迭代过程中，灵敏度矩阵的计算过程为：
[0039]对第k次迭代所得到的应变模态响应差异向量Δδ
r,k
按行进行组装，表达式为：
[0040][0041][0042]其中，表示第k次迭代得到的应变模态响应差异向量Δδ
r,k
中第i个重构的应变模态响应成分，对于Δδ
r,k
中的应变模态响应成分下标(a,b)j表示由测量位置a处提取的第j阶应变模态响应重构得到的测量位置b处的第j阶应变模态响应，由下式计算得到：
[0043][0044]其中，表示第k次迭代时测量位置b处提取出的第j阶应变模态响应，表示第k次迭代时测量位置a处提取出的第j阶应变模态响应，表示第k次迭代时无损伤模型的测量位置b处的第j阶应变模态，表示第k次迭代时无损伤模型的测量位置a处的第j阶应变模态；
[0045]对第k次迭代所得到的灵敏度矩阵进行按行组装，表达式为：
[0046][0047]对应于应变模态响应成分灵敏度矩阵中的相应元素表示为：
[0048][0049]其中，l＝1,2,
…
,n表示参与识别的损伤参数序号，从而通过下式计算灵敏度矩阵的元素
[0050][0051]其中，上标d和f表示对应参数分别与实际损伤结构和无损伤模型相关，上标(ea)和(eb)分别表示测量位置a和b的所属单元，和分别表示测量位置a和b对应所属单元的应变位移矩阵，和分别表示测量位置a和b对应所属单元包含的第j阶振型指数。
[0052]进一步地，每次重构时需使用两个测量位置的传感器采集响应对应阶次的应变响应数据。
[0053]另外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时域响应重构的损伤识别方法，其特征在于，包括以下内容：采用经验模态分解法从实际损伤结构的每个测量位置的应变响应中提取出应变模态响应；基于提取出的应变模态响应和无损伤模型的应变模态重构得到无损伤模型中每个测量位置的应变模态响应；对于同一测量位置，基于重构的应变模态响应和提取的应变模态响应构建应变模态响应差异向量；对构建的应变模态响应差异向量进行最小化迭代优化求解，得到损伤识别结果。2.如权利要求1所述的基于时域响应重构的损伤识别方法，其特征在于，基于下式求解无损伤模型的应变模态：其中，Φ
(k)
表示无损伤模型中第k个单元的应变模态，B
(k)
表示第k个单元的应变位移矩阵，表示第k个单元的振型指数。3.如权利要求2所述的基于时域响应重构的损伤识别方法，其特征在于，无损伤模型中每个测量位置的应变模态响应的重构过程具体为：结构中两个测量位置处应变的模态响应在同一时刻t存在如下关系：其中，下标a和b表示测量位置，下标j表示模态阶次，Φ表示应变模态，δ表示应变模态响应；由提取出的测量位置a处的应变模态响应重构得到测量位置b处的应变模态响应：其中，上标r和m分别表示重构值和测量值。4.如权利要求3所述的基于时域响应重构的损伤识别方法，其特征在于，应变模态响应差异向量的构建过程具体为：将损伤识别问题表述为使实际损伤结构与无损伤模型之间有关结构特性的信息差异最小值问题：其中，其中，表示使用实际损伤结构的应变模态重构得到的应变模态响应向量，表示使用无损伤模型的应变模态重构得到的应变模态响应向量，上标r表示重构值，下标d和f分别表示实际损伤结构和无损伤模型，w表示对角加权矩阵，||
·
||表示范数，表示损伤因子向量，Nr,Nt,n分别表示重构次数、每个传感器记录的时刻数目和参与损伤识别的损伤参数数目；
令其中，Δδ
r
表示应变模态响应差异向量；使用对应测量位置提取出的应变模态响应替代使用实际损伤结构的应变模态重构得到的应变模态响应，则上标m表示测量值。5.如权利要求4所述的基于时域响应重构的损伤识别方法，其特征在于，所述对构建的应变模态响应差异向量进行最小化迭代优化求解，得到损伤识别结果的过程具体为：基于高斯
‑
牛顿迭代法构造迭代过程中应变模态响应差异向量与损伤因子向量增量的关系式如下：其中，表示第k次迭代中重构值对损伤因子向量的灵敏度矩阵，上标k表示第k次迭代，Δα
k
表示第k次迭代所得到的损伤因子向量增量，Δδ
r,k
表示第k次迭代所得到的应变模态响应差异向量，则前k次迭代后的累积损伤因子向量设置灵敏度矩阵、累积损伤因子向量和应变模态响应差异向量的初始值分别为α0、Δδ
r,0
；采用阻尼最小二乘法对损伤因子向量增量Δα

【专利技术属性】
技术研发人员：卢玄东，邹云峰，李震，梁浩博，何旭辉，蔡陈之，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：