一種高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

一種高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。包括雙向加速度傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的雙向加速度信號(hào)基于發(fā)明專利技術(shù)的高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行損傷識(shí)別；若有損傷桿再用無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)其損傷程度進(jìn)而做出更換或維修的決策。本發(fā)明專利技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是對(duì)桁架桿微小損傷即5％以下的剛度降低的高敏感性，有利于在損傷初期更早地發(fā)現(xiàn)損傷桿；本發(fā)明專利技術(shù)無需任何系統(tǒng)識(shí)別和矩陣運(yùn)算過程，計(jì)算速度快、精確度高、當(dāng)使用無線傳感器時(shí)節(jié)省能耗，加上其對(duì)小損傷的超高敏感性，使其在實(shí)際工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于基于振動(dòng)信息的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
，涉及到桁架結(jié)構(gòu)的損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體地說是專利技術(shù)了一種用于定位微小損傷桁架桿的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
目前已有多種基于振動(dòng)信息的桁架結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)方法；應(yīng)用較為廣泛的是美國(guó)東北大學(xué)Bernal教授提出的隨機(jī)損傷定位向量(SDLV)法，其適用于環(huán)境激勵(lì)下的實(shí)時(shí)損傷定位，得到了美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校Spencer教授等人的試驗(yàn)驗(yàn)證。但該法應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)上面臨兩個(gè)困難：一是該法需要進(jìn)行參數(shù)識(shí)別進(jìn)而構(gòu)建柔度矩陣，而測(cè)試噪聲對(duì)參數(shù)識(shí)別尤其是模態(tài)振型識(shí)別質(zhì)量影響較大，進(jìn)而影響到該法的損傷定位精確度；二是該法對(duì)小損傷的敏感性有待繼續(xù)提高，該法對(duì)不同類型桁架桿的損傷敏感性不同其中對(duì)桁架豎向平面的斜桿損傷最為敏感，但也只能識(shí)別出剛度下降約25％的桁架斜桿，而桁架豎桿剛度下降大約70％時(shí)其損傷才能得到成功識(shí)別。這兩點(diǎn)大大制約了該法在實(shí)際工程中的使用。所以，專利技術(shù)一種對(duì)桁架桿小損傷敏感、損傷定位精確度高的損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常必要，有利于在桁架桿損傷初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位損傷桿件并根據(jù)其損傷程度做出維修或更換的決策，有利于桁架結(jié)構(gòu)的安全服役。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于設(shè)計(jì)一種對(duì)桁架結(jié)構(gòu)桿件微小損傷的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，以使桁架桿在發(fā)生5％以下剛度降低這樣水平的損傷時(shí)能被及時(shí)地監(jiān)測(cè)到。本專利技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)在于提出的高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，基于此方法專利技術(shù)了一種高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括安裝在桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)上的雙向加速度傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)；其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)縱向和豎向的加速度信號(hào)；數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)得到的雙向加速度信號(hào)，并利用基于專利技術(shù)的高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，得到桁架結(jié)構(gòu)中桁架桿的損傷情況；損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)得到的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示損傷桿件的位置；決策子系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷情況做出決斷，若無損傷桿件，則反饋桁架結(jié)構(gòu)中所有桿件均無損傷的提示；若有損傷桿件，則利用無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)損傷桿件的損傷程度，并據(jù)損傷嚴(yán)重程度做出更換或維修等決策。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)每隔M分鐘調(diào)用采集數(shù)據(jù)基于包含如下步驟的高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行計(jì)算分析從而實(shí)現(xiàn)桁架桿的損傷定位，M建議選10～60：步驟一、加速度傳感器布置：將要監(jiān)測(cè)的桁架結(jié)構(gòu)整體或者桁架子結(jié)構(gòu)中的每個(gè)桁架節(jié)點(diǎn)選為測(cè)點(diǎn)并在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上各布置一個(gè)雙向加速度傳感器用于測(cè)試其沿著桁架結(jié)構(gòu)縱向和豎向兩個(gè)方向的加速度；也可以在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上分別布置一個(gè)縱向加速度傳感器和一個(gè)豎向加速度傳感器；步驟二、安裝數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：在桁架結(jié)構(gòu)中或其附近安裝數(shù)據(jù)采集儀器和一臺(tái)包含數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，采集桁架結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)時(shí)測(cè)點(diǎn)的雙向加速度信號(hào)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中；每隔M分鐘，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同時(shí)調(diào)用無損狀態(tài)時(shí)M分鐘時(shí)段及過去M分鐘時(shí)段內(nèi)的雙向加速度信號(hào)進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)的多次損傷識(shí)別。每次識(shí)別中損傷前后的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)應(yīng)相同：將M分鐘數(shù)據(jù)按照時(shí)間長(zhǎng)度等分為5組數(shù)據(jù)，則損傷前后均可得到5組不同的數(shù)據(jù)，損傷前的任一組數(shù)據(jù)與損傷后的任一組數(shù)據(jù)可進(jìn)行一次損傷識(shí)別，則共可執(zhí)行25次損傷識(shí)別過程；選擇其中的任意n次損傷識(shí)別過程的平均結(jié)果作為最終的損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中n不小于20；具體的損傷定位步驟如下：1)根據(jù)桁架桿i兩端節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的在整體坐標(biāo)系下的雙向加速度響應(yīng)和獲得桁架節(jié)點(diǎn)處在沿桁架桿方向及在該桁架桿所在的桁架平面內(nèi)垂直于該桁架桿的方向組成的局部坐標(biāo)系下桁架節(jié)點(diǎn)處沿著該桁架桿方向的加速度響應(yīng)和其中和分別代表整體坐標(biāo)系下桁架桿i兩端節(jié)點(diǎn)在不同方向的加速度：down代表下端節(jié)點(diǎn)或左端節(jié)點(diǎn)處，up代表上端節(jié)點(diǎn)或右端節(jié)點(diǎn)處，x、y分別代表整體坐標(biāo)系下x和y方向的加速度；和分別代表桁架桿下端或左端節(jié)點(diǎn)、上端或右端節(jié)點(diǎn)處在局部坐標(biāo)系下沿著桁架桿方向的加速度響應(yīng)。對(duì)任意一根桁架桿i，根據(jù)如下公式進(jìn)行加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換：adowni=cosαax,down+sinαay,down---(1)]]>aupi=cosαax,up+sinαay,up---(2)]]>2)由如下公式計(jì)算桁架桿i沿軸向加速度變化的離散度ASAi：ASAi=var(aupi-adowni),i=1,2,...,m---(3)]]>其中m是所有被監(jiān)測(cè)桿件的總數(shù)；3)獲得監(jiān)測(cè)桁架桿件處軸向加速度變化離散度波形在損傷前后的相對(duì)變化率ΔASAi：ΔASAi=(ASAidamagedμ‾damaged-ASAihealthyμ‾healthy)/ASAihealthyμ‾healthy---(4)]]>其中和分別是損傷前后所有桿件的ASA值的均值；4)計(jì)算損傷指標(biāo)DI：由式(5)得到第k次識(shí)別過程的離散度波形相對(duì)變化率k＝1,2,…,n，n為損傷識(shí)別過程總次數(shù)且不小于20；對(duì)于其中每一次損傷識(shí)別過程，將所有桿件的值進(jìn)行歸一化處理：(ΔASAik)*=ΔASAik/maxi(ΔASAik)---(5)]]>損傷指標(biāo)DI，即平均歸一化桁架桿軸向加速度離散度波形相對(duì)變化率，通過如下公式計(jì)算：DIi=1nΣk=1n(ΔASAik)*---(6)]]>5)桁架桿損傷定位：若桁架桿i的損傷指標(biāo)DIi的值大于閾值ε，則將桁架桿i判定為損傷桿，即：損傷桿件＝{DIi>ε；i＝1,2,…,m本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括安裝在桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)上的雙向加速度傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)；其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)縱向和豎向的加速度信號(hào)；數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)得到的雙向加速度信號(hào)，利用高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，得到桁架結(jié)構(gòu)中桁架桿的損傷情況；損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)得到的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示損傷桿件的位置；決策子系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷情況做出決斷，若無損傷桿件，則反饋桁架結(jié)構(gòu)中所有桿件均無損傷的提示；若有損傷桿件，則利用無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)損傷桿件的損傷程度，并據(jù)損傷嚴(yán)重程度做出更換或維修等決策；其特征在于高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法包括如下步驟：步驟一、加速度傳感器布置：將要監(jiān)測(cè)的桁架結(jié)構(gòu)整體或者桁架子結(jié)構(gòu)中的每個(gè)桁架節(jié)點(diǎn)選為測(cè)點(diǎn)并在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上各布置一個(gè)雙向加速度傳感器用于測(cè)試其沿著桁架結(jié)構(gòu)縱向和豎向兩個(gè)方向的加速度；也可以在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上分別布置一個(gè)縱向加速度傳感器和一個(gè)豎向加速度傳感器；步驟二、安裝數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：在桁架結(jié)構(gòu)中或其附近安裝數(shù)據(jù)采集儀器和一臺(tái)包含數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，采集桁架結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)時(shí)測(cè)點(diǎn)的雙向加速度信號(hào)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中；每隔M分鐘，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同時(shí)調(diào)用無損狀態(tài)時(shí)M分鐘時(shí)段及過去M分鐘時(shí)段內(nèi)的雙向加速度信號(hào)進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)的多次損傷識(shí)別；每次識(shí)別中損傷前后的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)應(yīng)相同：將M分鐘數(shù)據(jù)按照時(shí)間長(zhǎng)度等分為5組數(shù)據(jù)，則損傷前后均可得到5組不同的數(shù)據(jù)，損傷前的任一組數(shù)據(jù)與損傷后的任一組數(shù)據(jù)可進(jìn)行一次損傷識(shí)別，則共可執(zhí)行25次損傷識(shí)別過程；選擇其中的任意n次損傷識(shí)別過程的平均結(jié)果作為最終的損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果，n不小于20；具體的損傷定位步驟如下：1)根據(jù)桁架桿i兩端節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的在整體坐標(biāo)系下的雙向加速度響應(yīng)和獲得桁架節(jié)點(diǎn)處在沿桁架桿方向及在該桁架桿所在的桁架平面內(nèi)垂直于該桁架桿的方向組成的局部坐標(biāo)系下桁架節(jié)點(diǎn)處沿著該桁架桿方向的加速度響應(yīng)和其中和分別代表整體坐標(biāo)系下桁架桿i兩端節(jié)點(diǎn)在不同方向的加速度：down代表下端節(jié)點(diǎn)或左端節(jié)點(diǎn)處，up代表上端節(jié)點(diǎn)或右端節(jié)點(diǎn)處，x、y分別代表整體坐標(biāo)系下x和y方向的加速度；和分別代表桁架桿下端或左端節(jié)點(diǎn)、上端或右端節(jié)點(diǎn)處在局部坐標(biāo)系下沿著桁架桿方向的加速度響應(yīng)；對(duì)任意一根桁架桿i，根據(jù)如下公式進(jìn)行加速度響應(yīng)轉(zhuǎn)換：adowni=cosαax,down+sinαay,down---(1)]]>aupi=cosαax,up+sinαay,up---(2)]]>2)由如下公式計(jì)算桁架桿i沿軸向加速度變化的離散度ASAi：ASLi=var(aupi-adowni),i=1,2,...,m---(3)]]>其中m是所有被監(jiān)測(cè)桿件的總數(shù)；3)獲得監(jiān)測(cè)桁架桿件處軸向加速度變化離散度波形在損傷前后的相對(duì)變化率ΔASAi：ΔASAi=(ASAidamagedμ‾damaged-ASAihealthyμ‾healthy)/ASAihealthyμ‾healthy---(4)]]>其中和分別是損傷前后所有桿件的ASA值的均值；4)計(jì)算損傷指標(biāo)DI：由式(5)得到第k次識(shí)別過程的離散度波形相對(duì)變化率n為損傷識(shí)別過程總次數(shù)且不小于20；對(duì)于其中每一次損傷識(shí)別過程，將所有桿件的值進(jìn)行歸一化處理：(ΔASAik)*=ΔASAik/maxi(ΔASAik)---(5)]]>損傷指標(biāo)DI，即平均歸一化桁架桿軸向加速度離散度波形相對(duì)變化率，通過如下公式計(jì)算：DIi=1nΣk=1n(ΔASAik)*---(6)]]>5)桁架桿損傷定位：若桁架桿i的損傷指標(biāo)DIi的值大于閾值ε，則將桁架桿i判定為損傷桿，即：損傷桿件＝{DIi>ε；i＝1,2,…,m}???(7)其中閾值ε根據(jù)結(jié)構(gòu)無損工況的損傷定位結(jié)果即各桁架桿的損傷指標(biāo)DI的值來確定，方法如下：獲得結(jié)構(gòu)損傷前采集的任意兩個(gè)M分鐘時(shí)段的加速度信號(hào)分別作為一對(duì)損傷前后的加速度信號(hào)代入以上步驟(1)～(5)觀察所有待監(jiān)測(cè)桿件的DIi值，閾值ε是一個(gè)略大于無損工況下所有桿件DIi的值來避免將無損桿誤判為損傷桿。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括安裝在桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)上
的雙向加速度傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、損傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子
系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)；其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)縱向和豎向的加速
度信號(hào)；數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)得到的雙向加速度信號(hào)，利用高損傷敏感性
的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，得到桁架結(jié)構(gòu)中桁架桿的損傷情況；損
傷定位結(jié)果實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)得到的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示損傷桿件的位置；決
策子系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷情況做出決斷，若無損傷桿件，則反饋桁架結(jié)構(gòu)中所有桿件均無損
傷的提示；若有損傷桿件，則利用無損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)損傷桿件的損傷程度，并據(jù)損傷嚴(yán)重程
度做出更換或維修等決策；
其特征在于高損傷敏感性的桁架結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法包括如
下步驟：
步驟一、加速度傳感器布置：將要監(jiān)測(cè)的桁架結(jié)構(gòu)整體或者桁架子結(jié)構(gòu)中的每個(gè)桁架
節(jié)點(diǎn)選為測(cè)點(diǎn)并在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上各布置一個(gè)雙向加速度傳感器用于測(cè)試其沿著桁架結(jié)構(gòu)縱
向和豎向兩個(gè)方向的加速度；也可以在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上分別布置一個(gè)縱向加速度傳感器和一個(gè)
豎向加速度傳感器；
步驟二、安裝數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)：在桁架結(jié)構(gòu)中或其附近安裝數(shù)據(jù)采
集儀器和一臺(tái)包含數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，采集桁架結(jié)構(gòu)無損狀態(tài)時(shí)測(cè)點(diǎn)的雙向加
速度信號(hào)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中；每隔M分鐘，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同時(shí)調(diào)用無損狀態(tài)時(shí)M分鐘時(shí)段及過去M
分鐘時(shí)段內(nèi)的雙向加速度信號(hào)進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)的多次損傷識(shí)別；每次識(shí)別中損傷前后的加速
度響應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)應(yīng)相同：將M分鐘數(shù)據(jù)按照時(shí)間長(zhǎng)度等分為5組數(shù)據(jù)，則損傷前后均可得到5
組不同的數(shù)據(jù)，損傷前的任一組數(shù)據(jù)與損傷后的任一組數(shù)據(jù)可進(jìn)行一次損傷識(shí)別，則共可
執(zhí)行25次損傷識(shí)別過程；選擇其中的任意n次損傷識(shí)別過程的平均結(jié)果作為最終的損傷監(jiān)
測(cè)結(jié)果，n不小于20；具體的損傷定位步驟如下：
1)根據(jù)桁架桿i兩端節(jié)點(diǎn)處測(cè)得的在整體坐標(biāo)系下的雙向加速度響應(yīng)和獲得桁架節(jié)點(diǎn)處在沿桁架桿方向及在該...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：安永輝，布萊秋斯基·巴特樓密爾，歐進(jìn)萍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧;21