本發(fā)明屬于起重機(jī)安全檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于應(yīng)變模態(tài)分析的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代制造業(yè)和現(xiàn)代物流業(yè)的快速發(fā)展，部分起重機(jī)長期運(yùn)行在重載、高使用頻率的工作條件下，甚至存在超限運(yùn)行的情況，而橋式起重機(jī)的主梁承受繁重載荷且受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)以裂紋為形式的損傷，影響起重機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性。因此，迫切需要提出有效的方法對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識(shí)別。

結(jié)構(gòu)損傷的理論與方法很多，但大部分都是通過對(duì)比損傷前后的物理參數(shù)或者振動(dòng)模態(tài)參數(shù)來確定損傷位置與損傷程度。但對(duì)于大量在役設(shè)備，特別是原始技術(shù)資料不全的老舊設(shè)備，這些方法存在實(shí)際應(yīng)用上的困難。而且，現(xiàn)有少量的不需要原始數(shù)據(jù)的損傷識(shí)別方法，存在計(jì)算繁瑣，識(shí)別的結(jié)果易受到實(shí)際測量中誤差的影響等問題。因此，考慮到橋式起重機(jī)主梁的損傷與振動(dòng)特性的關(guān)系，充分利用便于可靠測量的前幾階應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)學(xué)模型分別對(duì)損傷位置和損傷程度進(jìn)行定量分析，從而實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，提高了損傷識(shí)別的可行性與可靠性，故提出一種基于應(yīng)變模態(tài)分析的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明基于上述存在的技術(shù)問題，提出了一種基于應(yīng)變模態(tài)分析的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法，不再需要通過對(duì)比損傷前后主梁的物理參數(shù)或者模態(tài)參數(shù)的變化來進(jìn)行損傷識(shí)別，而是通過綜合分析現(xiàn)有主梁的前幾階可測有效應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建損傷位置敏感系數(shù)并定量分析來識(shí)別損傷位置，使用損傷區(qū)域相鄰未損傷區(qū)域的應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)建立ARMA模型，通過構(gòu)建損傷程度系數(shù)來識(shí)別損傷程度，從而完成主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法，基于應(yīng)變模態(tài)分析對(duì)橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識(shí)別，包括如下步驟：

S1.采集主梁的應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)：

在待識(shí)別主梁上的均布節(jié)點(diǎn)安裝應(yīng)變傳感器，采集主梁在受到?jīng)_擊載荷(如重物提升啟動(dòng)、緊急制動(dòng)等)情況下的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的前幾階可測的有效應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)；

S2.計(jì)算并擬合應(yīng)變模態(tài)差分曲線：

S2.1使用差分算法，對(duì)獲取的應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)；

S2.2使用三次樣條插值法，按順序?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值擬合成光滑、連續(xù)的曲線，得到主梁的應(yīng)變模態(tài)差分曲線；

S3.構(gòu)建損傷位置敏感系數(shù)，定量分析確定損傷位置：

由S2.2得到主梁的前幾階的應(yīng)變模態(tài)差分曲線，以及三次樣條插值的系數(shù)矩陣，構(gòu)建損傷位置敏感系數(shù)，通過定量計(jì)算得到損傷位置；

S4.使用損傷位置相鄰的未損傷數(shù)據(jù)，建立ARMA模型：

在S3確定的損傷位置的相鄰區(qū)域，選取未損傷區(qū)域的應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)，建立時(shí)間序列及自回歸滑動(dòng)平均模型(ARMA)，預(yù)處理后確定ARMA模型形式及模型參數(shù)；

S5.通過模型進(jìn)行預(yù)測，得到損傷程度系數(shù)：

使用S4建立的ARMA模型的外推功能，對(duì)損傷位置的應(yīng)變模態(tài)差分值進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值與實(shí)測計(jì)算值的變化程度，建立損傷程度系數(shù)；

S6.構(gòu)建損傷程度判定方程：

根據(jù)損傷程度系數(shù)與損傷程度的關(guān)系，進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，建立損傷程度判定方程，實(shí)現(xiàn)損傷程度的判定；

S7.完成損傷識(shí)別：

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)求得的損傷位置以及損傷程度，完成對(duì)橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。

有益效果：本發(fā)明充分利用主梁結(jié)構(gòu)的損傷與其振動(dòng)力學(xué)特性的關(guān)系，不需要通過對(duì)比損傷前后主梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)或者物理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別，從而提高了橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值與效果，具備以下顯著的進(jìn)步：

1)本發(fā)明僅僅需要通過測量并分析主梁現(xiàn)有的前幾階可測的有效應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，避免了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法往往需要損傷前的物理參數(shù)或者模態(tài)參數(shù)來進(jìn)行對(duì)比的缺點(diǎn)，提高了主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別的工程應(yīng)用價(jià)值；

2)構(gòu)建的損傷位置敏感系數(shù)，能定量反映損傷對(duì)局部應(yīng)變模態(tài)的影響，并且通過綜合分析前幾階應(yīng)變模態(tài)差分曲線所對(duì)應(yīng)的損傷敏感系數(shù)來確定損傷位置，提高了損傷定位的準(zhǔn)確程度；

3)使用損傷相鄰區(qū)域的未損傷應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)來構(gòu)建ARMA模型，通過模型的預(yù)測功能來確定損傷節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)值的變化情況，通過構(gòu)建損傷程度系數(shù)來識(shí)別損傷程度，可以充分利用結(jié)構(gòu)的局部特性來提高損傷程度識(shí)別的準(zhǔn)確性，避免了主梁不同位置、不同模態(tài)階次對(duì)損傷程度識(shí)別帶來的影響。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的一種橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的損傷識(shí)別方法的流程框圖。

圖2是S2中得到的應(yīng)變模態(tài)差分曲線。

圖3是S3中綜合分析損傷位置敏感系數(shù)I_DSI的對(duì)比圖，確定損傷位置。

圖4所示的是在S4.1中，對(duì)損傷位置相鄰的未損傷數(shù)據(jù)建立時(shí)間序列{x_t}，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后的效果對(duì)比圖。

圖5所示的是S5中通過ARMA模型預(yù)測得到的損傷節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值，以及該點(diǎn)應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)值的變化情況過程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例的基于應(yīng)變模態(tài)處理分析的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法的流程如圖1所示，包括依次執(zhí)行的以下步驟：

S1.采集主梁的應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)：

在待識(shí)別主梁的均布節(jié)點(diǎn)上安裝39應(yīng)變傳感器，將主梁均分成38段，采集主梁在受到?jīng)_擊載荷(如重物提升啟動(dòng)，緊急制動(dòng)等)情況下的各個(gè)安裝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)；

S2.計(jì)算并擬合應(yīng)變模態(tài)差分曲線：

S2.1使用差分算法，對(duì)獲取的應(yīng)變模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)；

S2.2使用三次樣條插值法，按順序?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值擬合成光滑、連續(xù)的曲線，得到主梁的應(yīng)變模態(tài)差分曲線；如圖2所示主梁的應(yīng)變模態(tài)差分曲線，曲線在損傷處均發(fā)生明顯變化；

S3.構(gòu)建損傷位置敏感系數(shù)，定量分析確定損傷位置：

S3.1將S2三次樣條插值法得到的系數(shù)矩陣，構(gòu)建成對(duì)角矩陣，并結(jié)合主梁上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，得到如下形式：

其中，A_D，B_D，C_D，D_D分別為三次樣條插值得到的各階系數(shù)矩陣，X為節(jié)點(diǎn)位置矩陣，Y為與X相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變模態(tài)差分值矩陣；

S3.2通過對(duì)以上矩陣求導(dǎo)，得到應(yīng)變模態(tài)差分曲線的導(dǎo)數(shù)矩陣Y_N，具體如下：

S3.3建立損傷位置敏感系數(shù)判別公式：

其中，y_i是i點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值，j是應(yīng)變模態(tài)的階次；

依次將主梁上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的前五階應(yīng)變模態(tài)差分值帶入I_DSI(ij)，得到相應(yīng)的損傷敏感系數(shù)，通過對(duì)比，確定I_DSI的極大值及其對(duì)應(yīng)的損傷位置；

如圖3所示，損傷位置處的損傷位置敏感系數(shù)I_DSI相較于未損傷處明顯增大，并且結(jié)合前五階應(yīng)變模態(tài)差分曲線對(duì)應(yīng)的損傷位置敏感系數(shù)I_DSI來考慮，可以定量確定該主梁的2處損傷位置；

S4.使用損傷位置相鄰的未損傷數(shù)據(jù)，建立ARMA模型：

S4.1選取S3確定的損傷位置相鄰的未損傷節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變差分?jǐn)?shù)據(jù)，并使用S2.2的三次樣條插值法來增加數(shù)據(jù)的數(shù)量，共同組成時(shí)間序列{x_t}，并進(jìn)行提取趨勢(shì)項(xiàng)、零化處理，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理如下：

其中，是將選取的相鄰未損傷安裝節(jié)點(diǎn)應(yīng)變模態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)建立的時(shí)間序列，為時(shí)間序列的均值，為時(shí)間序列的方差；數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程見圖4，為了提高建模的準(zhǔn)確性，使用S2.2的三次樣條插值法得到的系數(shù)矩陣，增加了曲線上數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，并且預(yù)處理后的數(shù)據(jù)滿足了ARMA建模的條件。

S4.2利用自協(xié)方差函數(shù)R_k的截尾特性，對(duì)ARMA模型的自回歸參數(shù)和滑動(dòng)平均參數(shù)θ_i進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而確定損傷位置相鄰的未損傷節(jié)點(diǎn)應(yīng)變差分值數(shù)據(jù)的ARMA模型：

其中，n，m分別為模型的階次，σ_i(i＝1，2，3，…，n)是模型的自回歸系數(shù)，θ_i(i＝1，2，3，…，m)是模型的滑動(dòng)平均系數(shù)；

S4.3利用AIC信息準(zhǔn)則對(duì)S4.2建立的ARMA模型的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，即

其中，N為時(shí)間序列{x_t}中元素的數(shù)量，是模型殘差的方差。當(dāng)AIC取得最小值時(shí)，S4.2建立的模型為最佳模型

S5.通過模型進(jìn)行預(yù)測，得到損傷程度系數(shù)：

使用S4建立的ARMA模型的外推功能，對(duì)損傷位置的應(yīng)變模態(tài)差分值進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測值與實(shí)測計(jì)算值的變化程度，建立損傷程度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)損傷程度的判定；

S5.1利用S4.3建立的ARMA模型的預(yù)測(外推)功能，如果損傷的節(jié)點(diǎn)與相鄰未損傷節(jié)點(diǎn)的間隔為l個(gè)間隔，則損傷安裝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值的預(yù)測值就是時(shí)間序列{x_t}的l步的預(yù)測值，即時(shí)間序列{x_t}的第l步的數(shù)學(xué)期望值，計(jì)算如下：

損傷位置的應(yīng)變模態(tài)差分值的預(yù)測過程如圖5所示，圖中黑色曲線是根據(jù)S2.2計(jì)算得到的應(yīng)變模態(tài)差分曲線，點(diǎn)劃線段是通過ARMA模型的預(yù)測功能得到的結(jié)果，虛線是應(yīng)變模態(tài)差分值的變化量。

S5.2根據(jù)S5.1的預(yù)測結(jié)果及S2.1的實(shí)測計(jì)算值，對(duì)損傷的安裝節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變模態(tài)差分值建立損傷程度系數(shù)：

其中，x_t+l為損傷節(jié)點(diǎn)應(yīng)變模態(tài)的實(shí)測計(jì)算差分值，是S5.1中的預(yù)測值，Δξ_i是損傷節(jié)點(diǎn)i處的損傷程度系數(shù)。

S6.構(gòu)建損傷程度判定方程：

根據(jù)損傷程度系數(shù)與損傷程度的關(guān)系，進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，建立損傷程度判定方程，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)損傷程度系數(shù)來判定損傷程度，完成損傷程度的判定；

S7.完成損傷識(shí)別：

因此，結(jié)合S3.3的損傷位置判定和S6的損傷程度判定，完成橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。