基于emd的結構剛度損傷監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種基于EMD(經驗模態(tài)分解算法）的結構剛度損傷監(jiān)測方法。本發(fā) 明還設及一種專用于上述方法的基于EMD的結構剛度損傷監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 工程結構在外荷載和環(huán)境下的安全服役具有重要的意義。目前國內外正出現越來 越多的各類大型高層高聳結構、大跨度橋梁和大跨度空間結構。由于惡劣自然環(huán)境和強烈 外荷載的作用，工程結構不可避免的發(fā)生損傷累積并引起性能退化和損傷破壞。強烈外荷 載、地震作用和爆炸沖擊荷載等容易引起工程結構的性能退化，并進而導致結構發(fā)生突變 的剛度損傷，如焊接斷裂、構件屈曲、支撐破裂等。因此，各國都非常重視結構的安全監(jiān)測和 性能評估工作。采用合理的監(jiān)測評估手段確保工程結構的服役安全是各國學者和工程技術 人員面臨的一個現實問題，具有重要的科學意思和實際工程意義。
[0003] 目前結構損傷監(jiān)測識別方法的基本思想是利用監(jiān)測系統(tǒng)獲取結構的動靜力響應， 通過各類監(jiān)測方法提取出結構響應中的損傷信號，再通過對損傷信號進行分析評估，建立 合理的監(jiān)測評估方法和系統(tǒng)來評判結構的損傷事件。現有技術中損傷監(jiān)測識別方法從信號 來源角度可W主要分為基于頻域信息的方法、基于時域信息的方法和基于時頻域信息的方 法二大類。
[0004] 工程結構在服役過程中，容易遭受惡劣自然環(huán)境和地震、強風、爆炸等荷載的作 用。因此容易引起構件由于損傷累積而發(fā)生的屈曲和失穩(wěn)，該將進一步引起結構發(fā)生具有 突然性的剛度損傷事故。國外多次發(fā)生由于結構失穩(wěn)引發(fā)剛度損傷而發(fā)生損傷破壞的事 故。目前對于該類由于失穩(wěn)引起的突發(fā)性剛度損傷主要采用時頻分析工具如小波變換和希 爾伯特黃變換等進行損傷監(jiān)測和識別。該類方法其基本思想均是將包含突變損傷信息的結 構動力響應進行高通濾波，通過觀察濾波后信號是否出現峰值來判斷結構損傷事件。但目 前該類方法在識別突發(fā)性的剛度損傷上均具有較為明顯的弱點：
[0005] (1)通常只能識別較大程度的結構剛度損傷（如10%W上），對于較小的結構剛度 損傷（如5%W下）其識別效果很不穩(wěn)定，取決于結構本身的特性和外荷載的特性。
[0006] (2)只能識別突發(fā)性剛度損傷發(fā)生的位置和發(fā)生的時間，卻無法定量的確定突變 損傷的程度。因此只能進行定性識別而不能進行定量的識別，該是目前方法的一個主要的 缺陷。
[0007] (3)目前方法不能有效進行結構在沖擊荷載作用下的微小剛度損傷的識別。由于 損傷信號過于微弱，因此無法判別損傷發(fā)生的時間和位置，更無法判別其損傷程度。
[000引 （4)目前方法對噪聲的抗干擾能力不強。在結構發(fā)生較小剛度損傷后，根本無法有 效監(jiān)測到損傷事件。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種基于EMD的結構剛度損傷的監(jiān) 測方法。
[0010] 本發(fā)明所要解決的第二個技術問題，就是提供一種專用于上述方法的基于EMD的 結構剛度損傷監(jiān)測系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，具有適用范圍廣、監(jiān)測效率高、監(jiān)測精度高、識別效果穩(wěn)定 和抗噪性好的優(yōu)點。
[0012] 解決上述第一個技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0013] 一種基于EMD的結構剛度損傷監(jiān)測方法，其特征是包括如下步驟：
[0014] 步驟SI,在結構不同位置上安裝多個加速度傳感器實時監(jiān)測所述結構的動力響 應，獲取結構不同位置的加速度響應信號；
[0015] 步驟S2,對所述結構不同位置的加速度響應信號進行EMD分解，并獲取具有最高 頻信號成分的第一個IMF分量；
[0016] 步驟S3,計算各個時刻IMF分量的斜率，并計算結構不同位置的一種用W判斷結 構剛度損傷的監(jiān)測因子；
[0017] 步驟S4,利用約束條件剔除虛假的監(jiān)測因子，所述監(jiān)測因子與結構的剛度損傷程 度呈線性關系；
[0018] 步驟S5,根據所述監(jiān)測因子隨時間的變化特征確定結構剛度損傷發(fā)生的時刻，通 過比較結構不同位置的監(jiān)測因子的分布確定損傷發(fā)生的位置；
[0019] 步驟S6,根據剛度損傷發(fā)生時刻對應的監(jiān)測因子的幅值確定結構的剛度損傷程 度。
[0020] 所述的步驟S2具體為：通過W下公式對所述加速度響應信號進行EMD分解，并確 定各個不同的IMF分量；
[0021]
[002引其中；W)為加速度響應信號；記巧(嘴為加速度信號經過EMD分解后的第i個 IMF分量；r"(t)為加速度信號經過EMD分解后的殘余趨勢項。
[0023] 所述的步驟S3計算結構不同位置的監(jiān)測因子通過W下公式進行：
[0024] MIi=I值I-Dh) +值i-Dw)I=I2Di-DH-D"iI(i= 2, 3,. . .，tmax-1)
[0025] 其中，D康示i時刻的結構加速度響應第一個IMF分量的變化率；Dy和DW表示 i-1和i+ 1時刻的加速度響應第一個IMF分量的變化率；為加速度響應信號的最大時間 長度。
[0026] 所述的步驟S4的監(jiān)測因子約束條件為：
[0027] +MIiA占MIj
[002引將監(jiān)測因子與約束條件聯合使用剔除虛假的監(jiān)測因子。
[0029] 所述的步驟S3計算結構不同位置的監(jiān)測因子更具體的步驟如下：
[0030] S3-1，建立發(fā)生和不發(fā)生剛度損傷結構的頻率之間的相互關系
[0031] 若等效單自由度結構體系由于桿件屈曲或失穩(wěn)，其結構的剛度在時刻ti發(fā)生了損 傷和減小，則結構剛度由正常值K。減小了AK，變?yōu)镵
[0034] 則無剛度損傷結構的頻率f。和有剛度損傷結構的頻率f,分別表示為：
[0037]式中，M為結構的質量；
[003引結構的剛度變化用無剛度損傷結構和有剛度損傷結構的頻率表示：
[0039]
[0040] S3-2,建立無失穩(wěn)損傷的原始結構的動力響應計算方法
[0041] 沒有發(fā)生失穩(wěn)損傷的結構不存在剛度損傷，因此其等效單自由度體系的運動方程 表示為：
[0042]
[0043] 式中，C為結構體系的阻巧比；
[0044] 結構在外荷載引起的脈沖作用下將發(fā)生具有初始速度為V。的振動，則結構的位 移、速度和加速度響應分別計算為：
[0化日]S3-3,建立發(fā)生失穩(wěn)及剛度損傷的結構的動力響應計算方法 [0051] 在結構在外荷載作用下發(fā)生振動中，假設在ti時刻發(fā)生了構件失穩(wěn)，由于構件失 穩(wěn)過程具有突然性，因此發(fā)生過程很短，該將導致構件的剛度在很短的時間內發(fā)生減??；為 描述該剛度變化過程，采用一個新的時間坐標軸來描述發(fā)生失穩(wěn)的結構的振動狀 況；因此，有剛度損傷結構的運動方程表示為：
[0化2]
[0053] 則有損傷結構振動的初始條件由無損結構在時刻ti的位移和速度響應確定；
[0054]
[0 化 5]
[0056]由此計算得到在ti時刻有損傷結構的加速度響應為；
[0062] 由于工程結構的阻巧比往往很小，因此構件發(fā)生失穩(wěn)破壞而導致的剛度損傷發(fā)生 的時間很短，則有：
[006引ti=t…-ti=At>0 ;
[0064] sin(2JTfsI山）> 0 ;
[00(55] COS(2JTfsI山）> 1 ;
[0066] 由此得結構在發(fā)生剛度損傷后后tw的時刻的加速度響應為：
[0067]
[0068] S3-4,進行結構振動響應的EMD分解
[0069] 為了建立損傷監(jiān)測因子，則需對結構的加速度響應刮O進行經驗模態(tài)分解 (EmpiricalModeDecomposition,EMD)；
[0070] 具體處理方法是；首先，確定巧。加速度響應的多個局部極大值和局部極小值；采 用多次樣條函數將的局部極大值點與局部極小值點分別擬和得到其峰值的上包絡曲線 種嘴nvdwe與下包絡曲線WOLvekpe;然后計算兩包絡線的均值叫(t)
[0071]
[0072] 將原加速度序列^的減去該平均包絡叫(t)后即得一個去掉低頻的新加速度時程 序列hi(t):
[0073] l\{t)=x{t)~m,{t);
[0074] 對得到的hi(t)重復W上數據過程，重復k次直至所得到的平均包絡趨于零為止：
[0075] hik(t) =hi化_1) (t)-IIiik(t);
[0076] 其中；hik(t)為第k次處理所得加速度數據屯&_u(t)為第k-1次處理所得加速度 數據；mik(t)為(t)上下包絡線的均值；
[0077] 由此得到該加速度響應巧4的第一個內斂模函數分量（intrinsicmode function,IM巧Cl(t)；
[007引 ci(t) =hik(t);
[0079] 第一個IMF分量Cl(t)代表了原始加速度信號中的最高頻成分；將原始加速度響 應刮O減去第一個IMF分量Cl似，得去掉高頻成分的加速度響應時程ri(t);將ri(t)再作 為要分解的信號重復上述過程，直至所剩余信號ri(t)已是一單調函數時停止此分解過程； 此時的參與量r"(t)代表原始加速度響應的低頻趨勢項；由此確定加速度響應種O的一組 IMF分量Cl(t)，C2 (t)-CdU);原始的加速度響應由全部IMF分量和一個趨勢項的疊加來表 示：
[0080]
[0081] 將結構振動信號的EMD分解過程采用一個隱函數巧的)來表示；
[0082] 則無損傷結構加速度相應的EMD分解信號表示為：
[0083]
[0090] S3-5,確定損傷監(jiān)測因子
[0091] EMD分解基于加速度響應局部特征時間尺度，從原加速度時程中提取固有模態(tài)函 數，其本質是將加速度信號中不同頻率和尺度的波動或趨勢逐級分解開來；所分解出的各 IMF分量分別包含了原加速度信號的不同時間尺度和頻率特征的局部特征信息；
[0092] 突變損傷時刻的信號不連續(xù)具有兩個明顯的特點；（1)信號的幅值在損傷時刻ti 到時刻tw發(fā)生了很大的跳躍；（2)在時刻ty(或其它任何之前時刻）和時刻tw(或其它 任何之后時刻）信號的斜率遠小于損傷時刻ti的信號斜率；事實上研究表明，發(fā)生剛度突 然損傷時的結構加速度響應的第一個IMF分量也具有上述的兩個相同的特點。
[0093] 顯然可知，發(fā)生瞬時失穩(wěn)事故時，結構構件剛度突然減小，結構的加速度響應出現 了一個突然的跳躍；該個突然的跳躍信號具有明顯的高頻特征和大振幅特點；由于突變剛 度損傷具有高頻特性，因此，其加速度響應的突變信號只保留在具有最高頻成分的第一個 IMF分量中；
[0094] 損傷前后的結構加速度響應第一個IMF的變化率Di表示為；
[0095]
[0096] 式中；At為加速度響應信號的時刻間距，為加速度響應信號的最大時間長 度；由于：
[0097]
[009引則損傷前后的結構加速度響應第一個IMF的變化率Di表示為；
[0099]
[0100] 由于EMD分解過程/e