基于emd的结构刚度损伤监测方法及系统的制作方法

基于emd的结构刚度损伤监测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于EMD(经验模态分解算法）的结构刚度损伤监测方法。本发 明还设及一种专用于上述方法的基于EMD的结构刚度损伤监测系统。
【背景技术】
[0002] 工程结构在外荷载和环境下的安全服役具有重要的意义。目前国内外正出现越来 越多的各类大型高层高耸结构、大跨度桥梁和大跨度空间结构。由于恶劣自然环境和强烈 外荷载的作用，工程结构不可避免的发生损伤累积并引起性能退化和损伤破坏。强烈外荷 载、地震作用和爆炸冲击荷载等容易引起工程结构的性能退化，并进而导致结构发生突变 的刚度损伤，如焊接断裂、构件屈曲、支撑破裂等。因此，各国都非常重视结构的安全监测和 性能评估工作。采用合理的监测评估手段确保工程结构的服役安全是各国学者和工程技术 人员面临的一个现实问题，具有重要的科学意思和实际工程意义。
[0003] 目前结构损伤监测识别方法的基本思想是利用监测系统获取结构的动静力响应， 通过各类监测方法提取出结构响应中的损伤信号，再通过对损伤信号进行分析评估，建立 合理的监测评估方法和系统来评判结构的损伤事件。现有技术中损伤监测识别方法从信号 来源角度可W主要分为基于频域信息的方法、基于时域信息的方法和基于时频域信息的方 法二大类。
[0004] 工程结构在服役过程中，容易遭受恶劣自然环境和地震、强风、爆炸等荷载的作 用。因此容易引起构件由于损伤累积而发生的屈曲和失稳，该将进一步引起结构发生具有 突然性的刚度损伤事故。国外多次发生由于结构失稳引发刚度损伤而发生损伤破坏的事 故。目前对于该类由于失稳引起的突发性刚度损伤主要采用时频分析工具如小波变换和希 尔伯特黄变换等进行损伤监测和识别。该类方法其基本思想均是将包含突变损伤信息的结 构动力响应进行高通滤波，通过观察滤波后信号是否出现峰值来判断结构损伤事件。但目 前该类方法在识别突发性的刚度损伤上均具有较为明显的弱点：
[0005] (1)通常只能识别较大程度的结构刚度损伤（如10%W上），对于较小的结构刚度 损伤（如5%W下）其识别效果很不稳定，取决于结构本身的特性和外荷载的特性。
[0006] (2)只能识别突发性刚度损伤发生的位置和发生的时间，却无法定量的确定突变 损伤的程度。因此只能进行定性识别而不能进行定量的识别，该是目前方法的一个主要的 缺陷。
[0007] (3)目前方法不能有效进行结构在冲击荷载作用下的微小刚度损伤的识别。由于 损伤信号过于微弱，因此无法判别损伤发生的时间和位置，更无法判别其损伤程度。
[000引 （4)目前方法对噪声的抗干扰能力不强。在结构发生较小刚度损伤后，根本无法有 效监测到损伤事件。

【发明内容】

[0009] 本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种基于EMD的结构刚度损伤的监 测方法。
[0010] 本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种专用于上述方法的基于EMD的 结构刚度损伤监测系统。
[0011] 本发明的系统及方法，具有适用范围广、监测效率高、监测精度高、识别效果稳定 和抗噪性好的优点。
[0012] 解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0013] 一种基于EMD的结构刚度损伤监测方法，其特征是包括如下步骤：
[0014] 步骤SI,在结构不同位置上安装多个加速度传感器实时监测所述结构的动力响 应，获取结构不同位置的加速度响应信号；
[0015] 步骤S2,对所述结构不同位置的加速度响应信号进行EMD分解，并获取具有最高 频信号成分的第一个IMF分量；
[0016] 步骤S3,计算各个时刻IMF分量的斜率，并计算结构不同位置的一种用W判断结 构刚度损伤的监测因子；
[0017] 步骤S4,利用约束条件剔除虚假的监测因子，所述监测因子与结构的刚度损伤程 度呈线性关系；
[0018] 步骤S5,根据所述监测因子随时间的变化特征确定结构刚度损伤发生的时刻，通 过比较结构不同位置的监测因子的分布确定损伤发生的位置；
[0019] 步骤S6,根据刚度损伤发生时刻对应的监测因子的幅值确定结构的刚度损伤程 度。
[0020] 所述的步骤S2具体为：通过W下公式对所述加速度响应信号进行EMD分解，并确 定各个不同的IMF分量；
[0021]
[002引其中；W)为加速度响应信号；记巧(嘴为加速度信号经过EMD分解后的第i个 IMF分量；r"(t)为加速度信号经过EMD分解后的残余趋势项。
[0023] 所述的步骤S3计算结构不同位置的监测因子通过W下公式进行：
[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时刻的结构加速度响应第一个IMF分量的变化率；Dy和DW表示 i-1和i+ 1时刻的加速度响应第一个IMF分量的变化率；为加速度响应信号的最大时间 长度。
[0026] 所述的步骤S4的监测因子约束条件为：
[0027] +MIiA占MIj
[002引将监测因子与约束条件联合使用剔除虚假的监测因子。
[0029] 所述的步骤S3计算结构不同位置的监测因子更具体的步骤如下：
[0030] S3-1，建立发生和不发生刚度损伤结构的频率之间的相互关系
[0031] 若等效单自由度结构体系由于杆件屈曲或失稳，其结构的刚度在时刻ti发生了损 伤和减小，则结构刚度由正常值K。减小了AK，变为K
[0034] 则无刚度损伤结构的频率f。和有刚度损伤结构的频率f,分别表示为：
[0037]式中，M为结构的质量；
[003引结构的刚度变化用无刚度损伤结构和有刚度损伤结构的频率表示：
[0039]
[0040] S3-2,建立无失稳损伤的原始结构的动力响应计算方法
[0041] 没有发生失稳损伤的结构不存在刚度损伤，因此其等效单自由度体系的运动方程 表示为：
[0042]
[0043] 式中，C为结构体系的阻巧比；
[0044] 结构在外荷载引起的脉冲作用下将发生具有初始速度为V。的振动，则结构的位 移、速度和加速度响应分别计算为：
[0化日]S3-3,建立发生失稳及刚度损伤的结构的动力响应计算方法 [0051] 在结构在外荷载作用下发生振动中，假设在ti时刻发生了构件失稳，由于构件失 稳过程具有突然性，因此发生过程很短，该将导致构件的刚度在很短的时间内发生减小；为 描述该刚度变化过程，采用一个新的时间坐标轴来描述发生失稳的结构的振动状 况；因此，有刚度损伤结构的运动方程表示为：
[0化2]
[0053] 则有损伤结构振动的初始条件由无损结构在时刻ti的位移和速度响应确定；
[0054]
[0 化 5]
[0056]由此计算得到在ti时刻有损伤结构的加速度响应为；
[0062] 由于工程结构的阻巧比往往很小，因此构件发生失稳破坏而导致的刚度损伤发生 的时间很短，则有：
[006引ti=t…-ti=At>0 ;
[0064] sin(2JTfsI山）> 0 ;
[00(55] COS(2JTfsI山）> 1 ;
[0066] 由此得结构在发生刚度损伤后后tw的时刻的加速度响应为：
[0067]
[0068] S3-4,进行结构振动响应的EMD分解
[0069] 为了建立损伤监测因子，则需对结构的加速度响应刮O进行经验模态分解 (EmpiricalModeDecomposition,EMD)；
[0070] 具体处理方法是；首先，确定巧。加速度响应的多个局部极大值和局部极小值；采 用多次样条函数将的局部极大值点与局部极小值点分别拟和得到其峰值的上包络曲线 种嘴nvdwe与下包络曲线WOLvekpe;然后计算两包络线的均值叫(t)
[0071]
[0072] 将原加速度序列^的减去该平均包络叫(t)后即得一个去掉低频的新加速度时程 序列hi(t):
[0073] l\{t)=x{t)~m,{t);
[0074] 对得到的hi(t)重复W上数据过程，重复k次直至所得到的平均包络趋于零为止：
[0075] hik(t) =hi化_1) (t)-IIiik(t);
[0076] 其中；hik(t)为第k次处理所得加速度数据屯&_u(t)为第k-1次处理所得加速度 数据；mik(t)为(t)上下包络线的均值；
[0077] 由此得到该加速度响应巧4的第一个内敛模函数分量（intrinsicmode function,IM巧Cl(t)；
[007引 ci(t) =hik(t);
[0079] 第一个IMF分量Cl(t)代表了原始加速度信号中的最高频成分；将原始加速度响 应刮O减去第一个IMF分量Cl似，得去掉高频成分的加速度响应时程ri(t);将ri(t)再作 为要分解的信号重复上述过程，直至所剩余信号ri(t)已是一单调函数时停止此分解过程； 此时的参与量r"(t)代表原始加速度响应的低频趋势项；由此确定加速度响应种O的一组 IMF分量Cl(t)，C2 (t)-CdU);原始的加速度响应由全部IMF分量和一个趋势项的叠加来表 示：
[0080]
[0081] 将结构振动信号的EMD分解过程采用一个隐函数巧的)来表示；
[0082] 则无损伤结构加速度相应的EMD分解信号表示为：
[0083]
[0090] S3-5,确定损伤监测因子
[0091] EMD分解基于加速度响应局部特征时间尺度，从原加速度时程中提取固有模态函 数，其本质是将加速度信号中不同频率和尺度的波动或趋势逐级分解开来；所分解出的各 IMF分量分别包含了原加速度信号的不同时间尺度和频率特征的局部特征信息；
[0092] 突变损伤时刻的信号不连续具有两个明显的特点；（1)信号的幅值在损伤时刻ti 到时刻tw发生了很大的跳跃；（2)在时刻ty(或其它任何之前时刻）和时刻tw(或其它 任何之后时刻）信号的斜率远小于损伤时刻ti的信号斜率；事实上研究表明，发生刚度突 然损伤时的结构加速度响应的第一个IMF分量也具有上述的两个相同的特点。
[0093] 显然可知，发生瞬时失稳事故时，结构构件刚度突然减小，结构的加速度响应出现 了一个突然的跳跃；该个突然的跳跃信号具有明显的高频特征和大振幅特点；由于突变刚 度损伤具有高频特性，因此，其加速度响应的突变信号只保留在具有最高频成分的第一个 IMF分量中；
[0094] 损伤前后的结构加速度响应第一个IMF的变化率Di表示为；
[0095]
[0096] 式中；At为加速度响应信号的时刻间距，为加速度响应信号的最大时间长 度；由于：
[0097]
[009引则损伤前后的结构加速度响应第一个IMF的变化率Di表示为；
[0099]
[0100] 由于EMD分解过程/e