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1、(10)申请公布号 CN 103530275 A (43)申请公布日 2014.01.22 CN 103530275 A (21)申请号 201310502624.9 (22)申请日 2013.10.23 G06F 17/14(2006.01) (71)申请人 青岛理工大学 地址 266520 山东省青岛市经济技术开发区 长江中路 2 号 (72)发明人 刁延松 陈家宝 任红 孙玉婷 曹亚东 华盼盼 徐东锋 (74)专利代理机构 青岛联信知识产权代理事务 所 37227 代理人 段秀瑛 王月玲 (54) 发明名称 基于振动传递率函数主成分置信度的结构损 伤预警方法 (57) 摘要 本发明涉及结。
2、构损伤识别领域, 特别涉及一 种基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤 预警方法, 利用加速度响应构造传递率函数, 而传 递率函数不受激励幅值影响, 将传递率函数的幅 值作为分析信号进行结构损伤预警可以不受激励 幅值的影响 ; 通过主成分分析提取振动传递率函 数的主成分, 对主成分进行相关性分析, 参照模态 置信准则计算主成分置信度, 利用主成分置信度 对结构状态进行评估, 可以抑制或消除噪声的影 响。 本发明的预警方法不受激励幅值的影响, 可以 有效地抑制或消除噪声的影响, 计算量小, 非常适 合于在线监测, 可操作性强, 提高了处理精度, 提 高了预警准确度。 (51)Int.Cl. 权。
3、利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103530275 A CN 103530275 A 1/1 页 2 1. 一种基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方法, 其特征在于, 所述预 警方法的具体步骤如下 : 步骤 1 : 获取结构损伤前后部分测点的加速度响应信号, 通过傅里叶变换计算振动传 递率函数 : 式中, Ai(), Aj()为响应信号的傅里叶变换 ; 步骤 2 : 将振动传递率函数的幅值作为分析信号, 假设为平稳随机过程, 将第 s 个振动 传。
4、递率函数 Tij()分割成 p 段长度为 n 的样本, 组成 n 行 p 列的矩阵 Xs, 第 s 个振动传递率 函数的相关矩阵 Rs和主成分 Zs为 : 式中, Zjs表示第 s 个振动传递率函数的第 j 个主成分, j=0, l, p, s=1, 2, Ns; 为 Rs的第 j 个特征向量, p 为时域采样点数, Ns为振动传递率函数的数量 ; 步骤 3 : 通过对比不同状态的主成分, 参照模态置信准则, 定义第 s 个振动传递率函数 第 j 主成分置信度为 : (j=0, l, p, s=1, 2, Ns) 式中 : zrijs, ztijs分别为 Zrjs, Ztjs的第 i 个元素,。
5、 上标 r 和 t 表示基准状态和测试状态 ; 若基准状态与测试状态第s个振动传递率函数的第j主成分一致, 则ZXDjs=1, 反之ZXDjs1 ; 步骤 4 : 定义损伤预警指标如下 : 式中, Nopt为选定的主成分的数量 ; 定义结构健康状态和损伤状态的主成分置信度阈值为 , 若 DI , 则结构发生损 伤, 反之无损伤。 权 利 要 求 书 CN 103530275 A 2 1/6 页 3 基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方法 技术领域 0001 本发明涉及结构损伤识别领域, 特别涉及一种基于振动传递率函数主成分置信度 的结构损伤预警方法。 背景技术 0002 由于荷载的作。
6、用以及环境的影响, 土木工程结构在服役期间会出现不同程度的损 伤, 若不及时发现并采取措施, 将带来灾难性的后果, 因此有必要进行结构的损伤识别研 究。结构损伤识别分为四个层次, 即损伤预警 (判别结构损伤存在与否) 、 确定损伤位置、 确 定损伤程度和结构寿命预测, 而损伤预警最为关键。 0003 目前, 人们研究并提出了许多结构损伤预警方法, 其中, 基于振动响应分析的结构 损伤预警方法由于无需测量激励, 仅利用结构响应对结构状态进行评估, 更接近实际情况, 因此, 被认为是一种具有广泛应用前景的方法, 但是, 由于激励幅值和噪声的影响, 基于振 动响应分析的结构损伤预警方法容易出现误判现。
7、象。 发明内容 0004 本发明针对现有技术受到激励幅值和噪声的影响, 导致预警误判的现象, 提供一 种基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方法 0005 本发明利用加速度响应构造传递率函数, 而传递率函数不受激励幅值影响, 将传 递率函数的幅值作为分析信号进行结构损伤预警可以不受激励幅值的影响 ; 通过主成分分 析提取振动传递率函数的主成分, 对主成分进行相关性分析, 参照模态置信准则计算主成 分置信度, 利用主成分置信度对结构状态进行评估, 可以抑制或消除噪声的影响。 0006 本发明的技术方案是 : 一种基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方 法, 具体步骤如下 : 00。
8、07 步骤 1 : 获取结构损伤前后部分测点的加速度响应信号, 通过傅里叶变换计算振 动传递率函数 : 0008 0009 式中, Ai(), Aj()分别为 a, b 点响应信号的傅里叶变换。 0010 步骤 2 : 主成分分析是一种数据压缩技术, 已广泛应用于数据特征提取、 信号降噪 等方面。主成分分析按数据分布方差大小排列, 即第一主成分方差最大, 受噪声影响最小, 第二主成分次之, 依次类推。因此, 对原始数据矩阵进行主成分分析, 所有主成分可表征数 据的全部特征, 依次对结构各状态的主成分进行对比, 要比直接对原始数据矩阵进行比较 来评估结构状态更可靠。主成分的方差越大, 由于噪声影。
9、响较小, 判别结果的可靠性将越 大。 0011 将振动传递率函数的幅值作为分析信号, 假设为平稳随机过程, 将第 s 个振动传 递率函数 Tij()分割成 p 段长度为 n 的样本, 组成 n 行 p 列的矩阵 Xs, 第 s 个振动传递率函 说 明 书 CN 103530275 A 3 2/6 页 4 数的相关矩阵 Rs和主成分 Zs为 : 0012 0013 0014 (j=0, l, p, s=1, 2, Ns) 0015 式中, Zjs表示第s个振动传递率函数的第j个主成分, 为Rs的第j个特征向量, p 为时域采样点数, Ns为振动传递率函数的数量。 0016 步骤 3 : 结构的损。
10、伤会引起结构物理参数的变化, 并体现在结构的动力响应中, 而 通过动力响应构造的振动传递率函数的主成分也将相应发生变化, 因此通过对比不同状态 的主成分可以判别结构损伤与否, 从而进行损伤预警。这里参照模态置信准则, 定义第 s 个 振动传递率函数第 j 主成分置信度为 : 0017 0018 (j=0, l, p, s=1, 2, Ns) 0019 式中 : zrijs, ztijs分别为 Zrjs, Ztjs的第 i 个元素, 上标 r 和 t 表示基准状态和测试 状态。若基准状态与测试状态第 s 个振动传递率函数的第 j 主成分一致, 则 ZXDjs=1, 反之 ZXDjs1。 0020。
11、 步骤 4 : 定义损伤预警指标如下 : 0021 0022 式中, Nopt为选定的主成分的数量。 0023 考虑到测量噪声的影响, 定义结构健康状态和损伤状态的主成分置信度阈值为 。 0024 若 DI , 则认为结构发生损伤, 反之无损伤。 0025 本发明的有益效果是 : 0026 本发明基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方法, 将振动传递率函 数的幅值作为分析信号, 通过主成分分析提取振动传递率函数的主成分, 对主成分进行相 关性分析, 参照模态置信准则计算主成分置信度, 利用主成分置信度对结构状态进行评估。 该方法不受激励幅值的影响, 可以有效地抑制或消除噪声的影响, 计。
12、算量小, 非常适合于在 线监测, 本发明可操作性强, 提高了处理精度, 提高了预警准确度。 附图说明 0027 图 1 本发明所述的结构损伤预警方法的流程图 ; 0028 图 2 七层海洋平台结构数值模型 ; 0029 1 为柱 1 ; 2 为柱 2 ; 3 为柱 3 ; 4 为柱 4 ; 为损伤杆件 说 明 书 CN 103530275 A 4 3/6 页 5 0030 图 3 七层海洋平台结构数值模型的俯视剖面图 ; 0031 1 为柱 1 ; 2 为柱 2 ; 3 为柱 3 ; 4 为柱 4 ; 0032 5 为 X 向面二 ; 6 为 Y 向面二 ; 7 为 X 向面一 ; 8 为 Y。
13、 向面一。 具体实施方式 0033 本发明的具体实施方式如下 : 0034 实施例 1 : 0035 一种基于振动传递率函数主成分置信度的结构损伤预警方法, 流程图见图 1, 具体 步骤如下 : 0036 步骤 1 : 获取结构损伤前后部分测点的加速度响应信号, 通过傅里叶变换计算振 动传递率函数 : 0037 0038 式中, Ai(), Aj()分别为 a, b 点响应信号的傅里叶变换。 0039 步骤 2 : 主成分分析是一种数据压缩技术, 已广泛应用于数据特征提取、 信号降噪 等方面。主成分分析按数据分布方差大小排列, 即第一主成分方差最大, 受噪声影响最小, 第二主成分次之, 依次类。
14、推。因此, 对原始数据矩阵进行主成分分析, 所有主成分可表征数 据的全部特征, 依次对结构各状态的主成分进行对比, 要比直接对原始数据矩阵进行比较 来评估结构状态更可靠。主成分的方差越大, 由于噪声影响较小, 判别结果的可靠性将越 大。 0040 将振动传递率函数的幅值作为分析信号, 假设为平稳随机过程, 将第 s 个振动传 递率函数 Tij()分割成 p 段长度为 n 的样本, 组成 n 行 p 列的矩阵 Xs, 第 s 个振动传递率函 数的相关矩阵 Rs和主成分 Zs为 : 0041 0042 0043 (j=0, l, p, s=1, 2, Ns) 0044 式中, Zjs表示第s个振动。
15、传递率函数的第j个主成分, 为Rs的第j个特征向量, p 为时域采样点数, Ns为振动传递率函数的数量。 0045 步骤 3 : 结构的损伤会引起结构物理参数的变化, 并体现在结构的动力响应中, 而 通过动力响应构造的振动传递率函数的主成分也将相应发生变化, 因此通过对比不同状态 的主成分可以判别结构损伤与否, 从而进行损伤预警。这里参照模态置信准则, 定义第 s 个 振动传递率函数第 j 主成分置信度为 : 0046 说 明 书 CN 103530275 A 5 4/6 页 6 0047 (j=0, l, p, s=1, 2, Ns) 0048 式中 : zrijs, ztijs分别为 Zr。
16、js, Ztjs的第 i 个元素, 上标 r 和 t 表示基准状态和测试 状态。若基准状态与测试状态第 s 个振动传递率函数的第 j 主成分一致, 则 ZXDjs=1, 反之 ZXDjs1。 0049 步骤 4 : 定义损伤敏感性指标如下 : 0050 0051 式中, Nopt为选定的主成分的数量。 0052 考虑到测量噪声的影响, 定义结构健康状态和损伤状态的主成分置信度阈值为 ; 若 DI, 则认为结构发生损伤, 反之无损伤。 0053 实施例 2 : 0054 采用 ANSYS 建立了七层海洋平台的三维有限元模型, 基本参数 : 弹性模量为 E=2.071011N/m2, 密度为 78。
17、00Kg/m3, 泊松比 =0.3。柱、 横梁以及支撑采用 BEAM4 单元, 顶板采用 SHELL63 单元, 顶板上堆积质量采用 MASS21 单元进行模拟。该模型共 44 个结点, 264 个自由度, 92 个 BEAM4 单元, 1 个 SHELL3 单元, 4 个 MASS21 单元, 7 种单元截面类型, 海 洋平台与基础固接, 直接通过减小杆件的弹性模量来模拟结构的损伤。模型如图 2, 图 3 所 示。数值模拟时取其 Y 向面二 6 进行分析。激励为高斯白噪声, 其采样频率为 1000Hz, 持时 为 49.152 秒, 施加于 14 点。利用 ANSYS10.0 的瞬态分析模块。
18、, 通过时程分析, 分别计算 15 和 19 点结构损伤前后的加速度 (Y 轴方向) 。根据式 (1) 可求出相邻两点间传递率函数。 0055 共模拟了四种损伤工况, 如表 1 所示。 0056 表 1 模型损伤工况 0057 0058 当激励幅值为 0.1 时, 取传递率函数 T1519前 512 条谱线进行分析。将 T1519分割成 8 段长度为 64 的样本, 组成 64 行 8 列的矩阵 Xs; 对 Xs进行主成分分析, 计算其各阶主成分, 并求出对应特征值, 以及各阶主成分的贡献率, 如表 2 所示 : 0059 表 2 前 8 阶特征值及贡献率 0060 说 明 书 CN 1035。
19、30275 A 6 5/6 页 7 0061 从表 2 中可以发现, 前三阶主成分的贡献率已经超过 90%, 能代表原始数据绝大部 分信息, 于是取前三阶主成分计算主成分置信度, 利用公式 (5) 求得不同状态下的损伤指标 如表 3 所示 : 0062 表 3 不同损伤工况对应的主成分置信度 (激励幅值为 0.1) 0063 0064 当激励幅值为 0.3 和 0.5 时, 主成分置信度如表 4 所示, 为节省篇幅其特征值及贡 献率未列出。 0065 表 4 不同损伤工况对应的主成分置信度 (激励幅值为 0.3 和 0.5) 0066 0067 由表 3 和表 4 可见 DI 0.9, 这里 。
20、取 0.9, 于是根据主成分置信度的损伤预警 原理可以推断出结构发生了损伤。从表中可以发现随着损伤程度的加大, DI 不断减小, 而 且激励幅值的变化对损伤预警结果影响不大。 0068 为考虑测量噪声的影响, 在加速度响应中叠加了一定程度的正态分布的随机白噪 声, 噪声的模拟公式为 : 0069 0070 式中, i和分别为无噪声和有噪声的节点加速度响应, i是正态分布的随机数 据, 为所加噪声程度的大小, 这里 分别取 0.01、 0.03、 0.05 进行分析。 0071 分析过程与无噪声时相同, 取前三阶主成分构造主成分置信度, 利用公式 (5) 求得 不同状态下的主成分置信度如表 5 。
21、所示 : 0072 表 5 不同损伤工况对应的主成分置信度 说 明 书 CN 103530275 A 7 6/6 页 8 0073 0074 从表 5 中可见 DI 0.9, 根据主成分置信度的损伤预警原理可以推断出结构发生 了损伤, 在叠加了 5% 噪声的情况下, 该方法成功地判断出了所有的损伤工况, 说明该法具 有一定的抗噪声能力。 0075 七层海洋平台数值模拟结果表明, 基于振动传递率函数主成分的损伤预警方法成 功地对海洋平台支撑损伤进行了预警, 且不受激励幅值的影响, 同时具有一定的抗噪声能 力。 说 明 书 CN 103530275 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103530275 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103530275 A 10 。