一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法
【專利摘要】本發明公開了一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，首先將調制參數引入高斯函數，并求其二階導數，得到用于辨識梁類結構損傷的函數；接著通過在該函數中引入尺度參數，得到適應于噪聲環境下辨識梁類結構損傷的函數；然后將梁類結構的振型信號與此抗噪的損傷辨識函數做卷積運算，如果卷積運算結果中存在噪聲干擾，則逐步增大尺度參數，直至噪聲干擾消失；最后根據卷積運算結果中是否出現峰值來判斷梁類結構中是否存在損傷，并根據峰所在位置確定損傷位置。本發明集成了降噪和損傷特征辨識兩個功能，能在環境噪聲干擾下準確判斷梁類結構局部損傷的出現并檢測出損傷的位置。
【專利說明】
一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法
技術領域
[0001] 本發明公開了一種檢測梁類結構損傷的方法，具體涉及梁類結構損傷檢測領域。
【背景技術】
[0002] 梁類結構作為最常見的結構形式，在長年服役中產生的微小損傷會積累、演變成 危害整體結構可靠運行和安全的宏觀損傷。基于這樣的考慮，近幾十年來各種梁類結構局 部損傷檢測技術得到快速發展。振型是結構的動力特性之一，但結構局部損傷引起的振型 局部變化不明顯，因此直接用于結構損傷檢測具有局限性。
[0003] 公開號為CN104849348A的發明專利申請公開了一種基于奇異值分解-小波變換的 梁結構損傷檢測方法，包括以下步驟：（1)獲取梁結構在固有頻率下的振動形狀信號；（2)用 墨西哥小波對振動形狀做小波變換得到多尺度小波變換振動形狀模態；（3)將奇異值分解 作用到多尺度小波變換振動形狀模態得到奇異值分解-小波變換振動形狀模態的特征圖 像；（4)根據特征圖像中是否出現較大奇異值峰來判斷梁結構損傷，并沿著奇異值峰來確定 損傷位置。該方案能加強損傷信息的特征，快速、準確地判斷損傷，并檢測出損傷位置。但是 消除環境噪聲的影響還不夠顯著。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是：局部損傷引起的振型局部變化不明顯，因此梁的 振型直接用于梁類結構損傷檢測具有局限性，同時考慮到環境噪聲會對損傷檢測的效果產 生干擾，需要建立一種抗噪的由振型奇異檢測梁類結構損傷的方法。
[0005] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0006] 本發明提出一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，包括如下步驟：
[0007] (1)、獲取梁結構的模態振型信號W(x)，其中X為振型的空間坐標；
[0008] (2)、將調制參數引入高斯函數g(x)，并求其二階導數，得到用于辨識梁類結構損 傷的函數Ga(x);
[0009] (3)、通過在函數Ga(x)中引入尺度參數s，得到用于噪聲環境下辨識梁結構損傷的 函數 = G 丨(一）；
[0010] (4)、令瓦;(x) = G/(-x)，將振型信號W(x)與函數5(_τ)做卷積運算，得到
[(幻=# ,其中：上標*為復共輒符號，(g)為卷積運算符號，u為卷積變量；
[0011] (5)、取Y(u)的模|y(u)|，如果其中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參 數s，重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲引起的毛刺干擾消失;此時根據Y(u)的模中是否 出現局部峰值來判斷梁結構中是否存在損傷，并根據峰所在位置確定損傷位置。
[0012] 進一步的，本發明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，步驟(2)中具 體計算如下：
[0013] g(x) = (o2ji)-1/4exp(-x2/(2〇2))
[0014] G(x) =g(x)exp( ?ηχ)
[0015]
[0016] 其中g為高斯函數，/ = exp是自然常數e為底的指數函數，d/dx為求導運算，g' 為高斯函數的一階導數，g"為高斯函數的二階導數;σ2為高斯函數方差，η為調制參數。
[0017] 進一步的，本發明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，方差〇2為1/ 2,調制參數η為3。
[0018] 進一步的，本發明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，步驟(5)中逐 步增大尺度參數s是指從1逐漸增加到15。
[0019] 進一步的，本發明的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，振型信號W (X)的獲取方法為：用力激勵器對梁類結構施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振儀測量梁類 結構完好面的穩態振動響應，通過實驗模態分析獲取梁類結構的振型。
[0020] 本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0021] 本發明公開了一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，該方法集成了降噪 和損傷特征辨識兩個功能，能在環境噪聲干擾下準確判斷梁類結構局部損傷的出現并檢測 出損傷的位置。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的方法流程示意圖。
[0023] 圖2是本發明中帶裂縫懸臂梁類結構的第七階振型圖。
[0024] 圖3是使用本發明帶裂縫懸臂梁類結構的損傷檢測結果圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0026]本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技 術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還 應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0027] 本發明提出一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，如圖1所示，包括如下 步驟：
[0028] (1)、獲取梁結構的模態振型信號W(x)，其中X為振型的空間坐標；
[0029] (2)、將調制參數引入高斯函數，并求其二階導數，得到用于梁類結構辨識損傷的 函數Ga(x);
[0030] (3)、通過在函數Ga(x)中引入尺度參數s，得到用于噪聲環境下辨識梁結構損傷的 函數(7 (x) = G' ); s
[0031] (4)、令:^(x) =仏/(-X)，將振型信號W(x)與函數^：(為做卷積運算，得到 y(H) = ,其中：上標*為復共輒符號，參為卷積運算符號，u為卷積變量；
[0032] (5)、取Y(u)的模I y(u) I (取實部的平方與虛部的平方之和，然后開根號），如果其 中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參數s，重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲 引起的毛刺干擾消失;此時根據Y(u)的模中是否出現局部峰值來判斷梁結構中是否存在損 傷，并根據峰所在位置確定損傷位置。
[0033] 實施例所用錯制懸臂梁類結構長543mm，寬30mm，高8mm，在梁類結構背面距離固定 端293mm處，有一個預制的寬1.2mm，深2mm，貫穿梁類結構寬度方向的損傷縫。用力激勵器對 梁類結構施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振儀測量梁類結構完好面的穩態振動響應，通 過實驗模態分析獲取梁類結構的振型。
[0034] 根據步驟(1)獲取帶損傷懸臂梁類結構的第七階振型W7(下標7表示第七階)如圖2 所示，其中橫軸表示距離梁固定端距離，縱軸表示振型歸一化后的值(取振型最大的相對位 移值為1)。從圖2中可以看出，無法通過振型局部變化辨識梁類結構局部損傷。
[0035] 根據步驟(2)-(5)將梁類結構振型W(x)與iu-)做卷積運算得到h(u)(下標7表 示第七階），增大參數3(尺度參數s)到15,直至噪聲引起的毛刺干擾消失;Y 7(u)的模中出現 局部峰值說明梁類結構中存在損傷，峰對應橫軸位置(距離梁固定端約290mm)即為檢測到 的損傷位置，與實際損傷位置相符，如圖3所示。由此可見，本方法能準確判斷梁類結構局部 損傷的出現并檢測出損傷的位置。
[0036] 本實施例中：激光傳感器為德國Polytec公司生產的PSV-400激光掃描測振儀;力 激勵器為丹麥B&K公司生產的4890模態激振器。
[0037]以上所述僅是本發明的部分實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 、獲取梁類結構的模態振型信號WU)，其中X為振型的空間坐標； (2) 、將調制參數引入高斯函數g(x)，并求其二階導數，得到用于辨識梁類結構損傷的 函數Ga(x); (3) 、通過在函數Ga(x)中引入尺度參數S，得到用于噪聲環境下辨識梁類結構損傷的函 敬(4) 、令57切=64/(-刊，將振型信號胖^)與函數而(、)做卷積運算，得到叫:/) = ^@每；的)， 其中：上標*為復共輛符號，@為卷積運算符號，U為卷積變量； (5) 、取パu)的模|y(u)|，如果其中存在噪聲引起的毛刺干擾，則逐步增大尺度參數S， 重復步驟(4)進行卷積運算，直至噪聲引起的毛刺干擾消失;此時根據Y(u)的模中是否出現 局部峰值來判斷梁類結構中是否存在損傷，并根據峰所在位置確定損傷位置。2. 根據權利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，其特征在于， 步驟(2)中具體計算如下：其中旨為高斯函數，/ = ^/馬，6邱是自然常數6為底的指數函數，(1/扯為求導運算，旨'為高 斯函數的一階導數，g"為高斯函數的二階導數;σ2為高斯函數方差，η為調制參數。3. 根據權利要求2所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，其特征在于， 方差σ2為1/2,調制參數η為3。4. 根據權利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，其特征在于， 步驟(5)中逐步增大尺度參數S是指從1逐漸增加到15。5. 根據權利要求1所述的一種抗噪的使用振型檢測梁類結構損傷的方法，其特征在于， 振型信號W(x)的獲取方法為：用力激勵器對梁類結構施加簡諧激勵，同時用激光掃描測振 儀測量梁類結構完好面的穩態振動響應，通過實驗模態分析獲取梁類結構的振型。
【文檔編號】G01M7/02GK105973554SQ201610322538
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】曹茂森, 徐煒, 朱祥, 韓奕, 潘麗霞
【申請人】河海大學