构刚度损伤监测系统中各个模块其具体功能的实现可采 用上述的方法。
[0巧1] 振动监测模块，通过在结构上安装加速度传感器，实时监测结构的振动状况，获取 结构各层的振动响应号。
[0巧2] 监测信号处理模块通过W下公式对所述加速度响应信号进行EMD分解并确定各 个IMF分量；
[0 巧 3]
[0354] 其中；为加速度响应信号；/iw。片(O)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；
[0巧5] 计算模块根据如下公式计算i时刻的监测因子和约束条件：
[0356] MIi=I(DI-Dh) +化-Dw)I=I2Di-Dw-DwI(i= 2, 3, . . .，tmax-1);
[0357] +始/,.+1 =M/,;
[0358] 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；
[0359] 刚度损伤时间判别模块、刚度损伤位置判别模块和刚度损伤程度判别模块，在预 设荷载作用下使结构发生不同程度的损伤，通过监测信号处理模块确定对应的监测因子， 进一步的建立损伤程度与监测因子之间的数值模型关系，并通过统计回归的方法确定监测 因子与损伤程度之间的模型参数a和0的数值，从而确定监测因子与损伤程度之间的定 量模型；损伤程度判别模块根据损伤发生时刻对应的监测因子大小，通过定量模型确定结 构的刚度损伤程度。
【主权项】
1. 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： 步骤S1，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； 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； 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以判断结构刚 度损伤的监测因子； 步骤S4,利用约束条件剔除虚假的监测因子，所述监测因子与所述结构的刚度损伤程 度呈线性关系； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的基于EMD的结构刚度损伤监测方法，其特征是：所述的步骤 S2具体为：通过以下公式对所述结构不同位置的加速度响应信号进行EMD分解，并确定各 个不同的IMF分量：其中：对〇为加速度响应信号；/L0(对0)为加速度信号经过EMD分解后的第i个MF 分量；rn(t)为加速度信号经过EMD分解后的残余趋势项。3. 根据权利要求1所述的基于EMD的结构刚度损伤监测方法，其特征是：所述的步骤 S3计算结构不同位置的监测因子具体通过以下公式进行： MIi=I(D^Di-XDi-Dw)I=ISDi-Dh1-DwI(i= 2, 3,. . . ,tmax-l)； 其中，Di表示i时刻的结构加速度响应第一个IMF分量的变化率；DH和Di+1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；tmax为加速度响应信号的最大时间长 度。4. 根据权利要求3所述的基于EMD的结构刚度损伤监测方法，其特征是：所述的步骤 S3计算结构不同位置的监测因子的步骤如下： 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 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h发生了损伤和 减小，则结构刚度由正常值Ktl减小了AK，变为Ks:则无刚度损伤结构的频率&和有刚度损伤结构的频率fs分别表示为：式中，M为结构的质量； 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： AK=K0-Ks= 4JI2M(f02-fs2)； S3-2，建立无失稳损伤的原始结构的动力响应计算方法 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： X+ + 4k2f^x=O; 式中，I为结构体系的阻尼比； 结构在外荷载引起的脉冲作用下将发生具有初始速度为％的振动，则结构的位移、速 度和加速度响应分别为：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 在结构在外荷载作用下发生振动中，假设在h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，这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t1=t-t1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：贝lj，有损伤结构振动的初始条件由无损结构在时刻1^的位移和速度响应确定：由于工程结构的阻尼比往往很小，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： tj=ti+1-ti=At^O；sin(2JTfsCdti) ^O； cos(2 31fsCdti) ^I； 由此得结构在发生刚度损伤后后ti+1的时刻的加速度响应为：S3-4,进行结构振动响应的EMD分解 为了建立损伤监测因子，则需对结构的加速度响应对0进行经验模态分解； 具体处理方法是：首先，确定只〇加速度响应的多个局部极大值和局部极小值：采用 多次样条函数将对0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 对OLgp6与下包络曲线;然后计算两包络线的均值Hi1⑴：将原加速度序列^'(0减去该平均包络Hl1 (t)后即得一个去掉低频的新加速度时程序列Mt): /?,(/) (〇 ； 对得到的h(t)重复以上数据过程，重复k次直至所得到的平均包络趋于零为止： hik(t) ； 其中：hlk(t)为第k次处理所得加速度数据；Ilia^ (t)为第k-1次处理所得加速度数 据；mlk(t)为⑴上下包络线的均值； 由此得到该加速度响应玢)的第一个内敛模函数分量C1⑴： C1(t) =hlk(t)； 第一个IMF分量C1 (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V⑴减去第一个IMF分量C1 (t)，得去掉高频成分的加速度响应时程 rjt) 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rn(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-V⑴的 一组頂F分量C1 (t)，C2⑴…Cn⑴；原始的加速度响应由全部MF分量和一个趋势项的叠 加来表示：将结构振动信号的EMD分解过程采用一个隐函数(对0)来表示，则无损伤结构加速 度相应的EMD分解信号表不为：S3-5,确定损伤监测因子 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； 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&到时 亥Ijti+1发生了很大的跳跃；（2)在时刻tH和时刻ti+1信号的斜率远小于损伤时刻ti的信 号斜率；事实上研宄表明，发生刚度突然损伤时的结构加速度响应的第一个頂F分量也具 有上述的两个相同的特点； 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；这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； 损伤前后的结构加速度响应第一个IMF的变化率Di表示为：式中：At为加速度响应信号的时刻间距，tmax为加速度响应信号的最大时间长度；由 于：由于EMD分解过程.Zfiuo(对印是一个线性过程，原始加速度信号表示为所有IMF分量和 残余分量的线性叠加，因此存在如下关系： DiI-IAKl; 前述的加速度响应信号不连续的第二个特点在数学表示为：由此，得到一种结构由于瞬时失稳事故引起的刚度损伤的监测因子（MonitoringIndex)MI1:由上述推导过程可知，所采用的基于EMD的监测因子与结构刚度损伤的程度呈正比关 系，即： MIi^IAKl； 基于该损伤指标，对应于时刻和ti+1的损伤指标MIH和MIi+1表示为： MIh=I2DH-DiJ-DiI; MIi+i=I2Di+1-Di-Di+21 ； 考虑i时刻前后的第一个IMF分量斜率均小于Di,则时刻和ti+1的损伤指标MIH和MIi+1之和近似等于损伤时刻ti，的损伤指标值MIi,即得出监测因子MIi的约束条件：S3-6,确定损伤监测因子与损伤程度的对应关系 建立线性模型： MI=a*S+ 0 ; 式中：MI为损伤指标的幅值；S为损伤程度大小；a、0均为线性模型中的常数参数； 实际应用过程中首先确定待监测结构的基本信息：质量、刚度和阻尼比；在预先设定 的荷载作用下，采用数值分析方法或模型试验模拟结构发生多种不同程度的损伤，然后建 立损伤程度与损伤指标的之间的数值关系，并采用数值回归的方法确定参数a和0的数 值；由此得到监测因子与损伤程度之间的定量关系。5. 根据权利要求1所述的基于EMD的结构刚度损伤监测方法，其特征是：所述的步骤 S4的监测因子约束条件为：将监测因子与约束条件联合使用剔除虚假的监测因子。6. -种专用于如权利要求1至5任意一项所述方法的基于EMD的结构刚度损伤监测系 统，其特征是：包括依次连接的下面五个模块： 振动监测模块，用于实时监测所述结构的振动状况，获取所述结构各层的加速度响应 信号； 基于EMD的监测信号处理模块，用于对所述加速度响应信号进行EMD分解、并将所述加 速度响应信号的第一个IMF分量提出出来；利用监测因子和约束条件，确定监测因子的具 体数值并剔除虚假的监测因子； 刚度损伤时间判别模块，用于根据监测因子时程曲线，并联合采用约束条件，判别刚度 损伤事件发生的时间； 刚度损伤位置判别模块，用于根据结构不同位置的监测因子的空间部分，并联合采用 约束条件，判别刚度损伤事件发生的位置； 刚度损伤程度判别模块，用于根据损伤发生时刻对应的监测因子的幅值确定结构的损 伤程度。
【专利摘要】本发明公开了结构刚度损伤的监测方法及系统，方法包括步骤：监测结构振动响应并获取结构加速度响应信号；对加速度响应信号进行EMD分解，确定各个时刻第一个IMF分量斜率，并计算结构不同位置的监测因子；利用约束条件剔除虚假监测因子，监测因子与结构刚度损伤程度呈线性关系；根据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，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；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。本发明特别适用于冲击荷载作用下的结构微小刚度损伤监测判定，能准确的识别微小程度的刚度损伤，具有较强的抗噪能力，通过计算监测因子的大小可以判定损伤程度，具有较高的应用价值。
【IPC分类】G01M99/00
【公开号】CN104964837
【申请号】CN201510325189
【发明人】谢文平, 陈波, 李鹏云, 周华敏, 张峰
【申请人】广东电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月12日