一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法技术

本发明专利技术公开一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法，包括如下步骤：(1)获得损伤频率全景图；(2)考虑噪声和误差的影响，获得覆盖损伤梁真实频率的实测频率区间；(3)取n阶实测频率区间，将其全部标注在损伤频率全景图上，得到损伤频率等高带，每阶损伤频率等高带代表了该频率对应的所有损伤位置和损伤程度的组合；(4)将损伤频率等高带投影到xOy平面，得到n条等高带的相交区域，该相交区域内的所有点用于指示可能的损伤位置和损伤程度；(5)计算相交区域的中心点，以中心点的横纵坐标代表损伤的位置和程度。本发明专利技术考虑了环境噪声和测试误差的影响，使得基于频率的损伤识别方法达到了一定噪声免疫的效果，具有良好的鲁棒性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法


[0001]本专利技术涉及梁类结构损伤识别方法，尤其涉及一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法。

技术介绍

[0002]梁类结构是复杂工程结构的基本元素，但梁类结构在长期服役过程中会受到各种荷载影响和材料退化的耦合作用，不可避免地会出现局部损伤，损伤不仅会危害结构安全，也会降低结构耐久性。因此研究有效的科学方法和技术手段识别梁类结构的损伤，是避免结构失效破坏，提前进行维护更换的重要前提，损伤识别也是国内外工程界和学术界的一个弥久常新的重要研究课题。
[0003]近几十年来，基于振动理论的梁类结构损伤识别研究倍受关注，基于频率、振型或频响函数等动力学指标，发展了大量结构损伤诊断方法。相比之下，频率因其易于获取且对噪声具有良好的鲁棒性，而更适合损伤表征，因而基于频率的损伤识别方法受到了大量学者的关注，其中频率等高线法是最为典型的基于频率的损伤识别方法。
[0004]基于频率等高线法的损伤识别方法虽然在理论层面简单易行，但是在实际工程中，频率容易受到环境噪声和实测误差的影响，导致频率等高线在xOy平面内无法形成共同的交点，从而无法得到指示损伤位置和程度的信息，最终导致该方法失效，即该方法未能实现噪声免疫，鲁棒性和健壮性较低，仅适用于理想情况使用。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对噪声条件下频率等高线法的损伤识别能力不足的问题，本专利技术提供一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法，该方法具有良好的噪声免疫能力。
[0006]技术方案：一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法，包括如下内容：
[0007](1)获得损伤频率全景图；
[0008](2)考虑噪声和误差的影响，获得覆盖损伤梁真实频率的实测频率区间；
[0009](3)取n阶实测频率区间，将n阶频率区间标注在损伤频率全景图上，得到损伤频率等高带，每阶损伤频率等高带代表了该频率对应的所有损伤位置和损伤程度的组合；n≥3；
[0010](4)将损伤频率等高带投影到xOy平面，得到n条等高带的相交区域，该相交区域内的所有点用于指示损伤位置和损伤程度；
[0011](5)计算相交区域的中心点，以中心点的横纵坐标代表损伤的位置和程度。
[0012]进一步的，步骤(1)中，通过频率与损伤位置和程度的解析公式以及计算绘图软件(如MATLAB软件、Python软件等)得到损伤频率全景图。所述频率与损伤位置和损伤程度的解析公式通过如下方式获取：
[0013]m条裂缝把梁分成m+1段子梁，列出每段子梁的振动方程；
[0014]裂缝影响梁的刚度，各段子梁连接处的位移、弯矩和剪力相同，只有转角因裂缝的存在而不同；列出位移、弯矩、剪力和转角这四个指标的连续性条件等式关系，m条裂缝就有
4m个连续性条件等式，以及整个梁的边界条件有4个边界条件等式，因此含有m条裂缝的梁共有4m+4个等式方程；
[0015]联立方程，求解出m条裂缝的位置、程度和该梁频率之间的函数关系，定义这个函数关系为该梁的损伤频率全景表征公式。
[0016]进一步的，步骤(2)中，通过多次测试，获得覆盖损伤梁真实频率的实测频率区间；或者通过单次测试，估算噪声和误差影响后，获得覆盖损伤梁真实频率的频率区间。
[0017]进一步的，步骤(5)中，可通过重心法、加权均值法、边界点均值法等计算中心点。
[0018]进一步的，采用噪声超立方体作为伪随机噪声，伪随机噪声用于模拟噪声对这n阶频率的影响，ε是伪随机噪声的水平，即噪声的影响大小的单位。ε的具体取值主要看测试的精度，如果精度1％则可取1％，如果精度0.1％，就可以取0.1％，通常ε小于等于2％，优选为小于等于1％。
[0019]具体的，利用噪声超立方体将梁的n阶真实频率(f1,f2,
……
,f
n
)变换为存在噪声和误差的实测频率的过程如下：
[0020][0021]其中，ε是噪声的影响大小的单位，k1,k2,
……
,k
n
是噪声超立方体的n个方向上噪声的影响大小系数；每一个方向上的数值大小都表示着此方向上的频率受到噪声影响的大小；假设实测频率受到百分之百的ε水平噪声影响，则：
[0022][0023]f
i
(1
‑
ε),i＝1,2,
……
,n，表示受到噪声的影响，实测频率的下限，或多次测试时，该阶频率的最小值；f
i
(1+ε),i＝1,2,
……
,n，表示受到噪声的影响，实测频率的上限，或多次测试时，该阶频率的最大值；从而可以得到n个频率区间(f1(1
‑
ε),f1(1+ε))、(f2(1
‑
ε),f2(1+ε))、
……
、(f
n
(1
‑
ε),f
n
(1+ε))，所有可能测到的n阶频率都包含在这n个频率区间内；
[0024]将这n阶频率的频率区间标注在损伤频率全景图上，得到n个损伤频率等高带；所述损伤频率等高带在损伤频率全景图上表现为带状曲面。
[0025]有益效果
[0026]与现有技术相比，本专利技术具备如下显著进步：
[0027](1)利用了损伤频率全景表征方法，通过损伤频率全景表征公式，将损伤位置、程度和频率之间的关系通过解析方式表达出来，使得损伤频率全景图中每一个频率点能够与实际情况更加吻合。
[0028](2)通过计算机绘图软件绘制损伤频率全景图，可实现任意损伤状况和任意阶频率的高效图形化展示。
[0029](3)获取的损伤梁的频率不再是单个频率值，而是考虑环境噪声和测试误差影响下的频率范围，该频率范围可以通过不同测试方式，不同试验条件下多次测量得到，也可以是单次测试后考虑环境噪声和测试误差影响后的计算范围。
[0030](4)利用频率范围替代频率值标注到损伤频率全景图中，将一维的等高线扩展为二维的等高带，使其包含更多的损伤信息。
[0031](5)将频率等高带投影到xOy平面，可得到多条投影带，这多条投影带的相交区域或公共区域，即使损伤位置和损伤程度可能所在的范围，而等高线的投影曲线在噪声和误差的影响下，往往得不到统一的交点，从而无法判断损伤位置和程度，使得频率等高线法失效。
[0032](6)通过计算多条投影带相交区域的中心点，来表示损伤的位置和程度，使得该方法具有一定的噪声免疫性。
[0033]该方法考虑了环境噪声和测试误差的影响，使得基于频率的损伤识别方法具有更加良好的鲁棒性和良好的噪声免疫性，从而能够满足工程应用的需要。且多条投影带相交区域内包含无数个指示损伤位置和程度的特征点，可以通过重心法、加权均值法、边界点均值法等方法，计算出精度更高的损伤位置和程度。
附图说明
[0034]图1为本专利技术实施例的含损伤的简支梁；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频率等高带法的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获得损伤频率全景图；(2)考虑噪声和误差的影响，获得覆盖损伤梁真实频率的实测频率区间；(3)取n阶实测频率区间，将这n阶频率区间标注在损伤频率全景图上，得到损伤频率等高带，每阶损伤频率等高带代表了该频率对应的所有损伤位置和损伤程度的组合；n≥3；(4)将损伤频率等高带投影到xOy平面，得到n条等高带的相交区域，该相交区域内的所有点用于指示损伤位置和损伤程度；(5)计算相交区域的中心点，以中心点的横纵坐标代表损伤的位置和程度。2.根据权利要求1所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，步骤(1)中，通过频率与损伤位置和损伤程度的解析公式以及计算绘图软件得到损伤频率全景图。3.根据权利要求2所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，步骤(1)中，所述频率与损伤位置和损伤程度的解析公式通过如下方式获取：m条裂缝把梁分成m+1段子梁，列出每段子梁的振动方程；裂缝影响梁的刚度，各段子梁连接处的位移、弯矩和剪力相同，只有转角因裂缝的存在而不同；列出位移、弯矩、剪力和转角这四个指标的连续性条件等式关系，m条裂缝就有4m个连续性条件等式，以及整个梁的边界条件有4个边界条件等式，因此含有m条裂缝的梁共有4m+4个等式方程；联立方程，求解出m条裂缝的位置、程度和该梁频率之间的函数关系，定义这个函数关系为该梁的损伤频率全景表征公式。4.根据权利要求1所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，步骤(2)中，通过多次测试，获得覆盖损伤梁真实频率的实测频率区间。5.根据权利要求1所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，步骤(2)中，通过单次测试，估算噪声和误差影响后，获得覆盖损伤梁真实频率的频率区间。6.根据权利要求1所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，步骤(5)中，通过重心法、加权均值法、边界点均值法计算中心点。7.根据权利要求1所述的梁类结构损伤识别方法，其特征在于，利用噪声超立方体模拟噪声对频率的影响...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭家意，曹茂森，张宇峰，承宇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：