專利名稱：基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法
(一)所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，具體是一種基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程和機(jī)械工程領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前的多數(shù)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法都是基于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的，即先進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別，再由識(shí)別出的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)來(lái)檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的損傷；或者直接用識(shí)別出的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷。因此模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法和精度在這類損傷檢測(cè)方法中就顯得很重要。結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法有很多種，其中成熟的一類方法是對(duì)待檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用人工激勵(lì)方式獲得振動(dòng)響應(yīng)后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，但很多情況下需要對(duì)工作狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線的損傷檢測(cè)時(shí)，就不便采用人工激勵(lì)方式，需要用隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，這類方法主要有峰值拾取法、頻域分解法、自然激勵(lì)法、隨機(jī)減量法、時(shí)間序列法等等。但這些方法都要在結(jié)構(gòu)受白噪聲激勵(lì)的前提下才可以使用，而結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下所受的環(huán)境激勵(lì)多為窄帶隨機(jī)激勵(lì)，為了滿足這個(gè)條件，工程上將結(jié)構(gòu)在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)所受的激勵(lì)近似地看作白噪聲激勵(lì)，所以在識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)時(shí)要記錄結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)時(shí)間的響應(yīng)歷程。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的將結(jié)構(gòu)所受的窄帶隨機(jī)激勵(lì)近似地看作白噪聲激勵(lì)時(shí)，在識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)時(shí)要記錄結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)時(shí)間響應(yīng)歷程的不足，而滿足在窄帶隨機(jī)激勵(lì)環(huán)境下在線檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的需求，本發(fā)明提出了一種檢測(cè)隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的方法。
本發(fā)明根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)上兩點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)與結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)以及結(jié)構(gòu)所受外激勵(lì)頻譜之間的關(guān)系，利用隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)構(gòu)造出數(shù)學(xué)量，提出了互相關(guān)函數(shù)幅值向量的概念對(duì)于一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其尺寸的大小、可能損傷部位的數(shù)目及信號(hào)采集設(shè)備的通道數(shù)目，選取若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)采集這些測(cè)量點(diǎn)的一段時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，選取其中一點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)為參考信號(hào)并與其它各點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)做互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，取每個(gè)互相關(guān)函數(shù)的最大幅值組成一個(gè)向量，即互相關(guān)函數(shù)幅值向量?；ハ嚓P(guān)函數(shù)幅值向量的形狀取決于結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)和結(jié)構(gòu)所受外激勵(lì)的頻譜。結(jié)構(gòu)損傷后，其頻率響應(yīng)函數(shù)會(huì)發(fā)生變化，所以在外激勵(lì)頻譜不變的情況下，互相關(guān)函數(shù)幅值向量形狀若發(fā)生變化，則可斷定結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)發(fā)生了變化，也就說(shuō)明結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷。再通過(guò)計(jì)算完好結(jié)構(gòu)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)互相關(guān)函數(shù)幅值向量的相關(guān)性系數(shù)來(lái)量化結(jié)構(gòu)損傷的程度；通過(guò)比較完好結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量中對(duì)應(yīng)元素分量的變化來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置。
基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的具體方法為第一步建立并測(cè)試完好結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量對(duì)于一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其尺寸的大小、可能損傷部位數(shù)目及信號(hào)采集設(shè)備的通道數(shù)目，選取n個(gè)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)上測(cè)量點(diǎn)按空間方向依次編號(hào)為l，2，Λ，n，同時(shí)采集一段時(shí)間內(nèi)n個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算某一點(diǎn)k的響應(yīng)xk(t)與其它各點(diǎn)響應(yīng)xl(t)(l為測(cè)量點(diǎn)編號(hào)，l＝1，2，Λ，n)之間的互相關(guān)函數(shù)Rkl(τ)。因?yàn)闇y(cè)量信號(hào)中不可避免地含有測(cè)量噪聲，而Rkl(τ)的最大絕對(duì)值受測(cè)量噪聲的影響較小，誤差也較小，所以用Rkl(τ)在最大絕對(duì)值處的值來(lái)組成該向量。設(shè)Rkl(τ)在τ＝τl處有最大絕對(duì)值，設(shè)rkl＝Rkl(τl)，將所有的rkl組成一個(gè)向量，用CorV表示CorV＝{rk1rk2Λrkn} (1)對(duì)CorV測(cè)試兩次，測(cè)試結(jié)果為CorVu和CorV*u，記錄結(jié)構(gòu)工作環(huán)境中影響其振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素，如外激勵(lì)的頻譜范圍，環(huán)境溫度等。
第二步計(jì)算完好結(jié)構(gòu)互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)，用CVAC0表示CVAC0=[Σj=1nCorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=1n[CorVu(j)]2Σj=1n[CorV*u(j)]2---(2)]]>第三步利用結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷在結(jié)構(gòu)使用一段時(shí)期之后，在結(jié)構(gòu)當(dāng)前工作環(huán)境與測(cè)試完好結(jié)構(gòu)時(shí)的工作環(huán)境相同的情況下，再次測(cè)試結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量，將其記為CorVd。計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)，記為CVAClCVAC1=[Σj=1nCorVu(j)CorVd(j)]2Σj=1n[CorVu(j)]2Σj=1n[CorVd(j)]2---(3)]]>若CVAC1小于CVAC0，就可判定結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷。
第四步利用結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的位置對(duì)CorVu和CorVd歸一化，然后計(jì)算它們中對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，n (4)按如下方法識(shí)別損傷位置a.若互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)(或者相當(dāng)于結(jié)構(gòu)可能損傷部位的應(yīng)變響應(yīng)的某種響應(yīng))信號(hào)計(jì)算得到的，則ECV的最大絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位。
b.若互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用加速度、或者速度或者位移響應(yīng)計(jì)算得到的，則對(duì)于簡(jiǎn)支或固支的梁以及板狀結(jié)構(gòu)可以用ECV的二次差分ECV″來(lái)識(shí)別損傷位置，ECV″為ECV″(i)＝ECV(i+2)-2ECV(i+1)+ECV(i)i＝1，2，Λ，n-2 (5)ECV″中具有最大絕對(duì)值元素的序號(hào)加1的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位；對(duì)于一端固支的懸臂梁和懸臂板結(jié)構(gòu)，也可以用ECV的一次差分ECV′來(lái)識(shí)別損傷位置，ECV′為ECV′(i)＝ECV(i+1)-ECV(i)i＝1，2，Λ，n-1 (6)ECV′中具有最大絕對(duì)值元素的序號(hào)加1的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位。
由于本發(fā)明所采用的技術(shù)方案依據(jù)結(jié)構(gòu)損傷后頻率響應(yīng)函數(shù)的變化，是一種基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法通過(guò)計(jì)算完好結(jié)構(gòu)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)互相關(guān)函數(shù)幅值向量的相關(guān)性來(lái)判斷互相關(guān)函數(shù)幅值向量形狀的變化；通過(guò)比較結(jié)構(gòu)損傷前和損傷后的互相關(guān)函數(shù)幅值向量中對(duì)應(yīng)的元素分量的變化來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置。所以，本發(fā)明在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量測(cè)試時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)所受外激勵(lì)頻帶寬度沒(méi)有要求，并且結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)互相關(guān)運(yùn)算，測(cè)量噪聲的影響可以通過(guò)平均運(yùn)算而削弱，具有測(cè)試時(shí)間短，識(shí)別方法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一使用應(yīng)變響應(yīng)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行損傷檢測(cè)，梁的兩端受橫向隨機(jī)激勵(lì)。
a.第一步建立并測(cè)試完好梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量在梁上均勻地布置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)安裝一個(gè)應(yīng)變傳感器，將這8個(gè)應(yīng)變傳感器從梁的一端開始依次編號(hào)為1，2，…，8。將1～8號(hào)傳感器的響應(yīng)信號(hào)分別記為X1(t)，x2(t)，Λ，x8(t)。傳感器5的信號(hào)較強(qiáng)，信噪比較高，選5點(diǎn)為參考點(diǎn)。分別計(jì)算x5(t)與x1(t)，x2(t)，Λ，x8(t)的互相關(guān)函數(shù)，并分別記為R51(τ)，R52(τ)，Λ，R58(τ)，它們?cè)谧畲蠼^對(duì)值點(diǎn)處的值分別為r51，r52，Λ，r58，將其組成一個(gè)向量，記為CorV＝{r51r52Λr58}。
對(duì)CorV測(cè)試兩次，信號(hào)采集時(shí)間都是6秒，測(cè)試結(jié)果記為CorVu和CorV*u，將CorVu和CorV*u歸一化后得到CorVu＝{0.1856 0.3186 0.4035 0.4486 0.4486 0.4035 0.3186 0.1856}CorV*u＝{0.1883 0.3203 0.4029 0.4468 0.4468 0.4029 0.3203 0.1883}影響這個(gè)梁振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素是外激勵(lì)的頻譜，所以記錄當(dāng)前情況下梁所受外激勵(lì)的頻譜，激勵(lì)的頻率范圍為8～16Hz。
b.第二步計(jì)算完好梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)CVAC0CVAC0=[Σj=18CorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=18[CorVu(j)]2Σj=18[CorV*u(j)]2=0.99997]]>c.第三步利用梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)梁是否發(fā)生損傷這個(gè)梁使用一段時(shí)期之后，在梁受頻率范圍為8～16Hz的外激勵(lì)作用下，測(cè)試CorV(信號(hào)采集時(shí)間為6s)，結(jié)果記為CorVd，將CorVd歸一化，得到CorVd＝{0.1462 0.2589 0.5175 0.5569 0.3726 0.3308 0.2546 0.1435}計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)CVAC1CVAC1=[Σj=18CorVu(j)CorVd(j)]2Σj=18[CorVu(j)]2Σj=18[CorVd(j)]2=0.95]]>CVAC1明顯小于CVAC0，由此判斷這個(gè)梁發(fā)生了損傷。
d.第四步利用梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別梁損傷的位置首先計(jì)算CorVu和CorVd對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并將其組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，8得到ECV＝{-21.2422 -18.7205 28.2473 24.1249 -16.9368 -18.0080 -20.0845 -22.6669}在本實(shí)施例中，梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，所以ECV最大絕對(duì)值附近是損傷發(fā)生的位置，ECV中具有最大絕對(duì)值的是其第3個(gè)元素，因此斷定梁上第3號(hào)傳感器附近發(fā)生了損傷。
實(shí)施例二使用加速度響應(yīng)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行損傷檢測(cè)，梁的兩端受橫向的隨機(jī)激勵(lì)。
a.第一步建立并測(cè)試完好梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量在梁上均勻地布置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上安裝一個(gè)加速度傳感器，將這8個(gè)加速度傳感器從梁的一端開始依次編號(hào)為1，2，…，8。將1～8號(hào)傳感器的響應(yīng)信號(hào)分別記為x1(t)，x2(t)，Λ，x8(t)。信號(hào)采集時(shí)間為6秒。傳感器5的信號(hào)較強(qiáng)，信噪比較高，選5點(diǎn)為參考點(diǎn)。分別計(jì)算x5(t)與x1(t)，x2(t)，Λ，x8(t)的互相關(guān)函數(shù)，并分別記為R51(τ)，R52(τ)，Λ，R58(τ)，它們?cè)谧畲蠼^對(duì)值點(diǎn)處的值分別為r51，r52，Λ，r58，將其組成一個(gè)向量，記為CorV＝{r51r52Λr58}。對(duì)CorV測(cè)試兩次，信號(hào)采集時(shí)間都是6秒，測(cè)試結(jié)果記為CorVu和CorV*u，將CorVu和CorV*u歸一化后得到CorVu＝{0.1611 0.3029 0.4083 0.4644 0.4644 0.4083 0.3029 0.1611}CorV*u＝{0.1608 0.3027 0.4083 0.4646 0.4646 0.4083 0.3027 0.1608}影響這個(gè)梁振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素是外激勵(lì)的頻譜，所以記錄當(dāng)前情況下梁所受外激勵(lì)的頻譜，激勵(lì)的頻率范圍為8～16Hz。
b.第二步計(jì)算完好梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)CVAC0CVAC0=[Σj=18CorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=18[CorVu(j)]2Σj=18[CorV*u(j)]2=0.9999997]]>c.第三步利用梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)梁是否發(fā)生損傷這個(gè)梁使用一段時(shí)期之后，在梁受頻率范圍為8～16Hz的外激勵(lì)作用下測(cè)試CorV(信號(hào)采集時(shí)間為6秒)，結(jié)果記為CorVd，將CorVd歸一化，得到CorVd＝{0.1624 0.3088 0.4247 0.4768 0.4586 0.3934 0.2874 0.1515}計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)CVAC1CVAC1=[Σj=18CorVu(j)CorVd(j)]2Σj=18[CorVu(j)]2Σj=18[CorVd(j)]2=0.9990]]>CVAC1明顯小于CVAC0，由此判斷這個(gè)梁發(fā)生了損傷。
d.第四步利用梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別梁損傷的位置首先計(jì)算CorVu和CorVd對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并將其組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，8得到ECV＝{0.8070 1.9520 4.0145 2.6745 -1.2486 -3.6331 -5.1104 -5.9583}在本實(shí)施例中，梁的互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用加速度響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，所以要用ECV″來(lái)識(shí)別損傷位置，計(jì)算ECV″ECV″(i)＝ECV(i+2)-2ECV(i+1)+ECV(i)i＝1，2，Λ，6得到ECV″＝{0.9175 -3.4024 -2.5832 1.5386 0.9072 0.6294}ECV″中第2個(gè)元素具有最大絕對(duì)值，因此梁上第3號(hào)傳感器附近發(fā)生了損傷。
實(shí)施例三對(duì)一個(gè)四層樓房進(jìn)行損傷檢測(cè)，樓房頂端受水平方向的隨機(jī)激勵(lì)。
a.第一步建立并測(cè)試完好樓房的互相關(guān)函數(shù)幅值向量在樓房每層頂端安裝一個(gè)加速度傳感器，將這4個(gè)加速度傳感器從第一層開始依次編號(hào)為1，2，3，4。將1～4號(hào)傳感器的響應(yīng)信號(hào)分別記為x1(t)，x2(t)，x3(t)，x4(t)。選3點(diǎn)為參考點(diǎn)，分別計(jì)算x3(t)與x1(t)，x2(t)，x3(t)，x4(t)的互相關(guān)函數(shù)，分別記為R31(τ)，R32(τ)，R33(τ)，R34(τ)，它們?cè)谧畲蠼^對(duì)值點(diǎn)處的值分別為r31，r32，r33，r34，將其組成一個(gè)向量，記為CorV＝{r31r32r33r34}。對(duì)CorV測(cè)試兩次，信號(hào)采集時(shí)間都是15秒，測(cè)試結(jié)果記為CorVu和CorV*u，將CorVu和CorV*u歸一化后得到CorVu＝{0.1882 0.4103 0.5901 0.6693}CorV*u＝{0.1719 0.3823 0.5990 0.6823}影響這個(gè)樓房振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素是外激勵(lì)的頻譜，所以記錄當(dāng)前情況下樓房所受外激勵(lì)的頻譜，外激勵(lì)的頻率范圍為10～100Hz。
b.第二步計(jì)算完好樓房的互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)CVAC0CVAC0=[Σj=14CorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=14[CorVu(j)]2Σj=14[CorV*u(j)]2=0.999990]]>
c.第三步利用樓房的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)樓房是否發(fā)生損傷這個(gè)樓房使用一段時(shí)期之后，在樓房受頻率范圍為10～100Hz的外激勵(lì)作用下，測(cè)試CorV(信號(hào)采集時(shí)間為15秒)，結(jié)果記為CorVd，將CorVd歸一化，得到CorVd＝{0.1719 0.3823 0.5990 0.6823}計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)CVAC1CVAC1=[Σj=14CorVu(j)CorVd(j)]2Σj=14[CorVu(j)]2Σj=14[CorVd(j)]2=0.9990]]>CVAC1明顯小于CVAC0，由此判斷樓房發(fā)生了損傷。
d.第四步利用樓房的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別樓房損傷的位置首先計(jì)算CorVu和CorVd對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并將其組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，4得到ECV＝{-8.6845 -6.8212 1.5107 1.9310}在本實(shí)施例中，樓房的互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用加速度響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，并且樓房可以看作懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以可以用ECV′來(lái)識(shí)別損傷位置，計(jì)算ECV′ECV′(i)＝ECV(i+1)-ECV(i)i＝1，2，3得到ECV′＝{1.8633 8.3319 0.4203}ECV′中第2個(gè)元素具有最大絕對(duì)值，因此樓房上第3號(hào)傳感器(即第三層)附近發(fā)生了損傷。
實(shí)施例四對(duì)一個(gè)載流管道的三個(gè)支座進(jìn)行損傷檢測(cè)，管道水平放置，受沿支座軸向的隨機(jī)激勵(lì)。
a.第一步建立并測(cè)試完好管道支座的互相關(guān)函數(shù)幅值向量在每個(gè)支座頂端安裝一個(gè)位移傳感器，將這3個(gè)位移傳感器依次編號(hào)為1，2，3。將1～3號(hào)傳感器的響應(yīng)信號(hào)記為x1(t)，x2(t)，x3(t)。信號(hào)采集時(shí)間為1秒。選1點(diǎn)為參考點(diǎn)。分別計(jì)算x1(t)與x1(t)，x2(t)，x2(t)的互相關(guān)函數(shù)，分別記為R11(τ)，R12(τ)，R13(τ)，它們?cè)谧畲蠼^對(duì)值點(diǎn)處的值分別為r11，r12，r13，將其組成一個(gè)向量，記為CorV＝{r11r12r13}。對(duì)CorV測(cè)試兩次，信號(hào)采集時(shí)間都是1秒，測(cè)試結(jié)果記為CorVu和CorV*u，將CorVu和CorV*u歸一化后得到CorVu＝{0.5773 0.5771 0.5777}CorV*u＝{0.5773 0.5771 0.5777}影響這個(gè)管道振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素是外激勵(lì)的頻譜及管道中液體的密度、流速和壓力，所以記錄當(dāng)前情況下這些參數(shù)的值外激勵(lì)頻率范圍為8～16Hz，管道中液體密度為9×103kg·m-3，流速為1.9m·s-1，壓力為15MPa。
b.第二步計(jì)算完好管道支座的互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)CVAC0CVAC0=[Σj=13CorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=13[CorVu(j)]2Σj=13[CorV*u(j)]2=1]]>c.第三步利用管道支座的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)管道支座是否發(fā)生損傷這個(gè)管道使用一段時(shí)期之后，在外激勵(lì)頻譜范圍為8～16Hz，管道中液體密度為9×103kg·m-3，流速為1.9m·s-1，壓力為15MPa的條件下，測(cè)試CorV(信號(hào)采集時(shí)間為1秒)，結(jié)果記為CorVd，將CorVd歸一化，得到CorVd＝{0.5779 0.5768 0.5774}計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)CVAC1CVAC1=[Σj=13CorVu(j)CorVd(j)]2Σj=13[CorVu(j)]2Σj=13[CorVd(j)]2=0.9999994]]>CVAC1小于CVAC0，由此判斷這個(gè)管道發(fā)生了損傷。
d.第四步利用管道支座的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別損傷支座的位置首先計(jì)算CorVu和CorVd對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并將其組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，3
得到ECV＝{-0.0343 0.070 7-0.0364}在本實(shí)施例中，管道支座的互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用支座與管道連接點(diǎn)處位移響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，而該點(diǎn)的位移除以支座的高度正比于支座的軸向應(yīng)變，因此支座與管道連接點(diǎn)的位移響應(yīng)信號(hào)與支座的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)有正比關(guān)系，所以ECV最大絕對(duì)值處是損傷位置，ECV中具有最大絕對(duì)值的是其第2個(gè)元素，因此可以判定第2號(hào)支座發(fā)生了損傷。
實(shí)施例五對(duì)一個(gè)飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉚釘松脫的檢測(cè)，壁板一端受垂直于板面隨機(jī)激勵(lì)。
a.第一步建立并測(cè)試完好壁板的互相關(guān)函數(shù)幅值向量在壁板上7個(gè)鉚釘附近分別布置7個(gè)應(yīng)變傳感器，將這7個(gè)應(yīng)變傳感器依次編號(hào)為1，2，…，7。將1～7號(hào)傳感器的響應(yīng)信號(hào)記為x1(t)，x2(t)，Λ，x7(t)。信號(hào)采集時(shí)間為50秒。傳感器1的信號(hào)較大，信噪比較高，選1點(diǎn)為參考點(diǎn)。分別計(jì)算x1(t)與x1(t)，x2(t)，Λ，x7(t)的互相關(guān)函數(shù)，分別記為R11(τ)，R12(τ)，Λ，R17(τ)，它們?cè)谧畲蠼^對(duì)值點(diǎn)處的值分別為r11，r12，Λ，r17，將其組成一個(gè)向量，記為CorV＝{r11r12Λr17}。對(duì)CorV測(cè)試兩次，信號(hào)采集時(shí)間都是50秒，測(cè)試結(jié)果記為CorVu和CorV*u，將CorVu和CorV*u歸一化后得到CorVu＝{0.6297 0.1726 0.4282 0.4696 0.3361 0.1337 0.1974}CorV*u＝{0.6451 0.1797 0.3922 0.4759 0.3270 0.1400 0.2115}影響這個(gè)壁板振動(dòng)響應(yīng)特性的主要因素是外激勵(lì)的頻譜，所以記錄當(dāng)前情況下壁板所受外激勵(lì)的頻譜，外激勵(lì)的頻率范圍為17～23Hz。
b.第二步計(jì)算完好壁板的互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)CVAC0CVAC0=[Σj=17CorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=17[CorVu(j)]2Σj=17[CorV*u(j)]2=0.998]]>c.第三步利用壁板的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)壁板是否發(fā)生損傷這個(gè)壁板使用一段時(shí)期之后，在壁板受頻率范圍為17～23Hz的外激勵(lì)作用下測(cè)試CorV(信號(hào)采集時(shí)間為50秒)，結(jié)果記為CorVd，將CorVd歸一化，得到
CorVd＝{0.5728 0.1553 0.3624 0.6101 0.3070 0.1239 0.1860}計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)CVAC1CVAC1=[Σj=18CorVu(j)CorVd(j)]2Σj=18[CorVu(j)]2Σj=18[CorVd(j)]2=0.95]]>CVAC1明顯小于CVAC0，由此判斷這個(gè)壁板上有鉚釘松脫。
d.第四步利用壁板的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別壁板上松脫的鉚釘?shù)奈恢檬紫扔?jì)算CorVu和CorVd對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并將其組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%]]>i＝1，2，Λ，7得到ECV＝{-9.0490 -10.0413 -15.3522 29.9298 -8.6481 -7.3293 -5.7261}在本實(shí)施例中，壁板的互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，所以ECV最大絕對(duì)值附近是損傷發(fā)生的位置，ECV中具有最大絕對(duì)值的是第4個(gè)元素，因此可以判斷壁板上第4號(hào)傳感器處的鉚釘松脫。
權(quán)利要求
1.一種基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法，其特征在于依據(jù)隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)上兩點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)與結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)和結(jié)構(gòu)所受外激勵(lì)頻譜之間的關(guān)系，采集若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)的一段時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，選取其中一點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)與其它各點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)做互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，取每個(gè)互相關(guān)函數(shù)的最大幅值構(gòu)造出互相關(guān)函數(shù)幅值向量，通過(guò)計(jì)算完好結(jié)構(gòu)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)互相關(guān)函數(shù)幅值向量的相關(guān)性系數(shù)來(lái)量化結(jié)構(gòu)損傷的程度；通過(guò)比較完好結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量中對(duì)應(yīng)元素分量的變化來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置，其具體方法是第一步，建立結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量選取n個(gè)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)采集一段時(shí)間內(nèi)n個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，分別計(jì)算某一點(diǎn)k的響應(yīng)xk(t)與其它各點(diǎn)l的響應(yīng)xl(t)之間的互相關(guān)函數(shù)Rkl(τ)，設(shè)Rkl(τ)在τ＝τl處有最大絕對(duì)值，設(shè)rkl＝Rkl(τl)，將所有的rkl組成一個(gè)向量，用CorV表示CorV＝{rk1rk2Λrkn} (1)對(duì)CorV測(cè)試兩次，測(cè)試結(jié)果為CorVu和Cor*u；第二步，計(jì)算完好結(jié)構(gòu)互相關(guān)函數(shù)幅值向量之間的相關(guān)性系數(shù)計(jì)算CorVu和CorV*u的相關(guān)性系數(shù)，用CVAC0表示CVAC0=[Σj=1nCorVu(j)CorV*u(j)]2Σj=1n[CorVu(j)]2Σj=1n[CorV*u(j)]2---(2)]]>第三步，利用結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量檢測(cè)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷按第一步所述方法，測(cè)試并記錄結(jié)構(gòu)在使用中結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量，將其記為CorVd；計(jì)算CorVu和CorVd之間的相關(guān)性系數(shù)，記為CVAC1CVAC1=[Σj=1nCorVu(j)CorVd(j)]2Σj=1n[CorVu(j)]2Σj=1n[CorVd(j)]2---(3)]]>將結(jié)構(gòu)初始完好時(shí)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量與使用中結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量進(jìn)行比較，當(dāng)CVAC1小于CVAC0時(shí)，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷；第四步，利用結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的位置對(duì)CorVu和CorVd歸一化，然后計(jì)算它們中對(duì)應(yīng)元素之間的相對(duì)變化值，并組成一個(gè)向量，記為ECVECV(i)=CorVd(i)-CorVu(i)CorVu(i)×100%--i=1,2,Λ,n---(4).]]>
2.如權(quán)利要求1所述基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法，其特征在于確定損傷位置時(shí)a.若互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，或者相當(dāng)于結(jié)構(gòu)可能損傷部位的應(yīng)變響應(yīng)的某種響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的，則ECV的最大絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位；b.若互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用加速度、或者速度或者位移響應(yīng)計(jì)算得到的，則對(duì)于簡(jiǎn)支或固支的梁和板結(jié)構(gòu)可以用ECV的二次差分ECV″來(lái)識(shí)別損傷位置，ECV″為ECV″(i)＝ECV(i+2)-2ECV(i+1)+ECV(i)i＝1，2，Λ，n-2(5)ECV″中具有最大絕對(duì)值元素的序號(hào)加1的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位；c.若互相關(guān)函數(shù)幅值向量是用加速度、或者速度或者位移響應(yīng)計(jì)算得到的，則對(duì)于一端固支的懸臂梁和板結(jié)構(gòu)，用ECV的一次差分ECV′來(lái)識(shí)別損傷位置，ECV′為E′CV(i)＝ECV(i+1)-ECV(i) i＝1，2，Λ，n-1 (6)ECV′中具有最大絕對(duì)值元素的序號(hào)加1的傳感器位置附近是發(fā)生損傷的部位。
3.如權(quán)利要求1所述基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法，其特征在于所述的響應(yīng)信號(hào)是時(shí)域的位移響應(yīng)信號(hào)、或者速度響應(yīng)信號(hào)、或者加速度響應(yīng)信號(hào)、或者動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于互相關(guān)函數(shù)幅值向量的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法。為解決現(xiàn)有技術(shù)中在識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)時(shí)要記錄結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)時(shí)間響應(yīng)歷程的不足，滿足窄帶隨機(jī)激勵(lì)環(huán)境下檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的要求，本發(fā)明依據(jù)隨機(jī)振動(dòng)結(jié)構(gòu)上兩點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)與結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)和結(jié)構(gòu)所受外激勵(lì)頻譜之間的關(guān)系，采集若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)的一段時(shí)域響應(yīng)信號(hào)，將其中一點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)與其它各點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)做互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，取每個(gè)互相關(guān)函數(shù)的最大幅值構(gòu)造出互相關(guān)函數(shù)幅值向量，通過(guò)比較完好結(jié)構(gòu)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)的互相關(guān)函數(shù)幅值向量的相關(guān)性系數(shù)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否有損傷，通過(guò)分析它們中的對(duì)應(yīng)元素分量的變化來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置。該方法所需的測(cè)試時(shí)間短，識(shí)別過(guò)程簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1804612SQ20051013633
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者楊智春, 于哲峰 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)