一种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法与流程

本发明涉及损伤检测领域，具体涉及一种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法。

背景技术：
：

桥面板是直接参与承受车轮荷载作用的局部构件，经长期车辆移动荷载反复作用下，最容易产生疲劳损伤。同时，冬季的防冻剂和融雪剂也会对桥面板顶板产生腐蚀等损伤。上述损伤的产生和发展会危及桥梁的可靠性，准确地识别桥面是否损伤对整个桥梁结构的安全运营具有十分重要的意义。相比于传统的损伤识别方法如电磁法、超声波法、γ射线法等，基于动力指纹的桥面板损伤识别方法最大的优势是可以直接利用环境作用如风振动、车辆移动荷载作为激励源，通过相应的桥面板动力指纹响应进行实时损伤检测。工程实际中动力传感器采集的动力指纹大多是位移信号，利用相应的位移振型进行损伤识别的传统分析方法如振型差法，振型导数法等分别存在如下的限制：一是需要提前知道健康桥面板的位移振型；二是振型导数对测量噪音很敏感。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷。

一种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法，所述方法包括如下步骤：

获取桥面板的位移振型曲面；

对位移振型曲面进行分形分析；

根据分形分析的结果识别损伤。

进一步的，桥面板位移振型曲面的获取方法包括如下步骤：

对桥面板待测区域进行网格化测点布置；

采集测点的位移时程信号和空间位置信息；

根据采集的测点位移时程信号及空间位置计算得到实测频率响应矩阵；

利用实测频率响应矩阵中每个元素的虚部峰值及相应的位置即可得到位移振型曲面。

进一步的，对位移振型曲面进行分形分析的方法包括如下步骤：

定义投影垂线盒维数；

指定滑窗尺寸，计算滑窗区域内位移振型曲面的投影垂线盒维数值；

利用滑窗扫描位移振型曲面，得到投影垂线盒维数曲面。

在本实施例中，根据分形分析的结果识别损伤的方法包括如下步骤：

当投影垂线盒维数值大于阈值时，则判定此处为损伤位置。

进一步的，利用滑窗扫描位移振型曲面，得到投影垂线盒维数曲面的方法包括如下步骤：

将滑窗沿着位移振型曲面的横向或纵向位置进行移动；

获取滑窗包围区域内的位移振型曲面的投影垂线盒维数；

根据投影垂线盒维数值确定投影垂线盒维数曲面。

进一步的，投影垂线盒维数的获取方法包括如下步骤：

考虑一个典型网格区域中的位移振型曲面，网格区域通过点(i，j)，(i+1，j)，(i,j+1)和(i+1，j+1)；

选取其中三点所在的面作为基准面：

选取立方体盒子的边长与所划分正方形网格边长相同，将立方体盒子从基准面堆叠直到最后一个盒子可以覆盖投影垂线；

覆盖第(i，j)个小区域中的投影垂线最大盒子数量为：

ns(i,j)＝ceil(l/s)；

其中ceil(x)代表不小于x的最小整数值，l代表投影垂线的长度，s代表网格区域和立方体盒子的尺度；

考虑到所有区域的贡献，不同网格尺度s下总盒子数ns的值为

那么，投影垂线盒维数值可以通过log(ns)和log(s)之间的最小二乘线性拟合直线的斜率来求得：

其中db就是位移振型曲面的投影垂线盒维数。

进一步的，选择三点作为基准面的方法为包括如下步骤：

任意选择一点；

计算该点到剩余三点所构成的基准面的投影垂线距离；

依次选择剩余的点，并计算其投影垂线距离；

将各点的投影垂线距离进行比较，选择投影垂线距离最大的三点作为基准面的选择点。

进一步的，将滑窗所包围的窗口区域内投影垂线盒维数达到最大值时的尺寸作为扫描时的滑窗尺寸。

进一步的，对位移振型曲面进行分形分析时，还包括对位移振型曲面进行仿射变换。

进一步的，对位移振型曲面进行仿射变换的方法包括如下步骤：

假设向量空间ζ由第m阶位移振型组成；

线性同构映射f:ζ→ζ^*，将向量空间ζ映射到另一个向量空间ζ^*，该向量空间是对第m阶位移振型的替换，表达式如下：

式中，m是双线性映射矩阵；a11，a22和a33是尺度参数；a12，a13，a21，a23，a31和a32是剪切参数；a14，a24和a34是平移参数；(x,y,z)和(x^*,y^*,z^*)分别是向量空间ζ和ζ^*中的向量。

本发明的优点在于：该种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法：

(1)可用于桥面板各种点损伤，如凹坑，腐蚀，孔洞等的检测，能检测出损伤是否发生，并能精准定位损伤的位置；

(2)直接利用位移传感器采集到的位移数据作为损伤识别的原始数据，避免使用健康位移振型作参照，同时具有平滑数据抗噪的功能，具备了在噪声环境下识别各种尺寸损伤的能力，特别适用于工程现场环境下桥面板的损伤检测；

(3)解决了使用高阶振型容易产生振型反弯点误判的问题。

附图说明

图1为本发明中投影垂线盒维数算法中典型网格下覆盖投影垂线盒子数计算的示意图。

图2为本发明中带损伤桥面板三维有限元模型结构示意图。

图3为本发明中桥面板尺寸详图俯视示意图。

图4为本发明中桥面板尺寸详图侧视示意图。

图5为本发明中有损桥面板第6阶位移振型结构示意图。

图6为本发明中有损投影垂线盒维数示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，一种基于动力指纹的桥面板损伤识别方法，所述方法包括如下步骤：

获取桥面板的位移振型曲面；

对位移振型曲面进行分形分析；

根据分形分析的结果识别损伤。

具体为：

步骤a：对桥面板待测区域进行网格化测点布置，进行实验模态分析得到前几阶位移振型；

步骤b：将步骤a中得到的某一阶位移振型进行分形分析；

步骤c：根据分形分析结果识别损伤。

所述步骤b中的分形分析包括以下步骤：

步骤a1：定义一种分形维数计算方法；

在本实施例中，桥面板位移振型曲面的获取方法包括如下步骤：

对桥面板待测区域进行网格化测点布置；

采集测点的位移时程信号和空间位置信息；

根据采集的测点位移时程信号及空间位置计算得到实测频率响应矩阵；

利用实测频率响应矩阵中每个元素的虚部峰值及相应的位置即可得到位移振型曲面。

投影垂线盒维数是通过一个典型网格划分区间下曲面四个边缘角点确定的最大投影垂线长度所需盒子覆盖数来描述曲面的不规则性。如附图1所示，

考虑一个典型网格区域中的位移振型曲面，网格区域通过点(i，j)，(i+1，j)，(i,j+1)和(i+1，j+1)；

选取其中三点所在的面作为基准面：

选取立方体盒子的边长与所划分正方形网格边长相同，将立方体盒子从基准面堆叠直到最后一个盒子可以覆盖投影垂线；

覆盖第(i，j)个小区域中的投影垂线最大盒子数量为：

ns(i,j)＝ceil(l/s)

其中ceil(x)代表不小于x的最小整数值，l代表投影垂线的长度，s代表网格区域和立方体盒子的尺度；

考虑到所有区域的贡献，不同网格尺度s下总盒子数ns的值为

那么，投影垂线盒维数值可以通过log(ns)和log(s)之间的最小二乘线性拟合直线的斜率来求得：

其中db就是位移振型曲面的投影垂线盒维数。

步骤a2：定义一种扫描方式；

基于步骤a1投影垂线盒维数的定义，一个滑窗被安排沿着位移振型的横向和纵向进行移动，移动的步长为∈。在滑窗的每一个位置，计算被滑窗包围区域内的位移振型曲面的投影垂线盒维数，维数值义在窗口的中点位置。

步骤a3：得到位移振型的投影垂线盒维数曲面。

在本实施例中，对位移振型曲面进行分形分析的方法包括如下步骤：

定义投影垂线盒维数；

指定滑窗尺寸，计算滑窗区域内位移振型曲面的投影垂线盒维数值；

利用滑窗扫描位移振型曲面，得到投影垂线盒维数曲面。

在本实施例中，根据分形分析的结果识别损伤的方法包括如下步骤：

当投影垂线盒维数值大于阈值时，则判定此处为损伤位置。

在本实施例中，利用滑窗扫描位移振型曲面，得到投影垂线盒维数的方法包括如下步骤：

将滑窗沿着位移振型曲面的横向或纵向位置进行移动；

获取滑窗包围区域内的位移振型曲面的投影垂线盒维数；

根据投影垂线盒维数值确定投影垂线盒维数曲面。

在滑窗完成了对整个位移振型曲面横向和纵向的扫描后，得到位移振性的投影垂线盒维数曲面。投影垂线盒维数曲面提供了位移振型曲面不同位置处的光滑程度对比，其中曲面突变的位置或分形维数值较大处即为损伤出现的位置。

所述的步骤a2中滑窗的大小决定了损伤检测的可行性，过大的窗口会导致损伤面积对投影垂线盒维数影响较小；同时，过小的窗口会导致损伤面积被分割在不同的滑窗中，这样会影响损伤尺寸检测的不完整性。作为优选的结果是，窗口尺寸大小的选择需要一个最优化测试的过程。一种有效的原则是选择当窗口内投影垂线盒维数取得最大值时所对应的窗口尺寸的大小。

所述的步骤a2中滑窗的步长决定了位移振型投影垂线盒维数曲面的光滑性，作为优选的是步长的大小应该尽可能的小只要能满足损伤检测实时性的要求即可。

所述的步骤b中某一阶振型的选择原则：对于较大损伤面积，低阶振型作为优选；对于较小损伤面积，高阶振型作为优选。但是在对高阶振型做分形分析时，需要先对位移振型曲面进行仿射变换：

假设向量空间ζ由第m阶位移振型组成，一种线性同构映射f:ζ→ζ^*，将向量空间ζ映射到另一个向量空间ζ^*，该向量空间是对第m阶位移振型的替换，表达式如下：

其中m是双线性映射矩阵；a11，a22和a33是尺度参数；a12，a13，a21，a23，a31和a32是剪切参数；a14，a24和a34是平移参数；(x,y,z)和(x^*,y^*,z^*)分别是向量空间ζ和ζ^*中的向量。

仿射变换保持了对原始高阶振型曲面的平直性和平行性，而且同时保持了原始位移振型的物理意义。这种不变特性对维持损伤特征是大有益处的，同时也弱化了高阶位移振型中反弯点引起的投影垂线盒维数峰值。

在本实施例中，选择三点作为基准面的方法为包括如下步骤：

任意选择一点；

计算该点到剩余三点所构成的基准面的投影垂线距离；

依次选择剩余的点，并计算其投影垂线距离；

将各点的投影垂线距离进行比较，选择投影垂线距离最大的三点作为基准面的选择点。

在本实施例中，将滑窗所包围的窗口区域内投影垂线盒维数达到最大值时的尺寸作为扫描时的滑窗尺寸。

在本实施例中，对位移振型曲面进行分形分析时，还包括对位移振型曲面进行仿射变换。

在本实施例中，对位移振型曲面进行仿射变换的方法包括如下步骤：

假设向量空间ζ由第m阶位移振型组成；

线性同构映射f:ζ→ζ^*，将向量空间ζ映射到另一个向量空间ζ^*，该向量空间是对第m阶位移振型的替换，表达式如下：

式中，m是双线性映射矩阵；a11，a22和a33是尺度参数；a12，a13，a21，a23，a31和a32是剪切参数；a14，a24和a34是平移参数；(x,y,z)和(x^*,y^*,z^*)分别是向量空间ζ和ζ^*中的向量。

以下通过实施例来进一步说明：

本实施例利用商业有限元软件abaqus建立三维桥面板模型，如图2所示。桥面板材料为钢，采用线弹性模型，密度ρ＝7850kg/m³，弹性模量e＝200gpa，泊松比ν＝0.3。板长度为1.5m，宽度为0.6m，厚度为0.008m，加劲肋宽度为50mm，桥面板尺寸详图如图3所示；

本实施例中数值模型采用shell单元组成，网格在x-z平面尺寸为0.025m×0.025m；

本实施例中采用线性摄动模块中频率分析计算桥面板的位移振型；

本实施例中滑动窗口为0.005m×0.005m的正方形区域，步长∈为0.025m；

本实施例中损伤位于x＝0.425m，z＝0.725m的0.05m×0.05m正方形区域，刚度折减50％；

本实施例中对位移振型的分形分析利用matlab软件编程实现；

下面以桥面板第6阶位移振型作为特选动力指纹为例进行本方法的详细说明，当然也可以选择其他高阶位移振型进行损伤检测。

a：桥面板第6阶位移振型如图5所示。

b：通过给定的滑窗大小和滑动步长沿着位移振型的横向和纵向进行移动。在滑窗的每一个位置，计算被滑窗包围区域内的位移振型曲面的投影垂线盒维数，得到投影垂线盒维数曲面，如图5所示。对于第6阶位移振型，先对位移振型进行仿射变换，仿射变换矩阵采用：

c：由图6可见，投影垂线盒维数曲面有一个局部的突起，该峰值对应的位置即为检测到的损伤位置。由此证实了本发明对桥面板结构损伤检测的有效性。

上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中出现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。