[发明专利]基于少量静态测量数据的结构损伤定位与程度识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构健康检测损伤识别技术领域，更具体地，涉及一种利用少量静态测量数据对结构进行损伤检测的方法。

背景技术

随着我国科学技术的发展，各种大型复杂结构随处可见。从地上的建筑、桥梁、高铁，到水上的钻井平台，乃至太空中的航天结构等等，都属于所需要考虑到的结构范畴。然而这些结构在其服役过程中，随着时间的推移，不能避免地在某些构件中发生局部损伤。如果对这些损伤置之不理，任其发展扩大，最终将导致结构的毁坏。结构的毁坏不但会对国家带来经济损失，严重的更会对人民造成生命威胁。因此，为了保证各种结构在使用期间的安全性和可靠性，结构损伤识别与健康监测技术引起了广泛的关注。通过对结构进行监测和诊断，及时发现局部损伤，对结构进行安全评估，已成为必然要求。

结构损伤检测的方法多种多样。从最原始的用肉眼观察到现在用高科技仪器，如超声波、红外线等，这些技术已广泛地应用于工程实际之中。在各种各样的方法中，基于结构振动特性的损伤识别技术得到了最广泛的研究。基于结构振动特性的损伤识别技术的基本理论是：局部损伤必然引起结构动力特征变化。如果按照所用数据分类，目前这类方法还能可以细分为两类：静态识别技术和动态识别技术。

对于动态识别技术，就是应用动力系统中的各种参数来进行损伤识别。目前主要技术方向有频域和时域两种。频域方向的技术主要应用到动力系统中的频率、振型、模态曲率或频响函数等；时域方向的技术主要应用到动力系统的速度、加速度、位移响应。动态识别技术的优势在于能用于识别的参数非常多，方法比较丰富。而其劣势在于测量数据受噪声影响较大，所应用数据量较大等。

对于静态识别技术，就是应用经历测量数据来进行损伤识别。由于静力平衡方程只涉及结构刚度，因此识别目标比较明确。而且静力测量数据比较容易获取，测量误差很小。但是就目前的静力识别技术，大多存在算法过程复杂、计算量大等问题。

文献“基于静力响应的桥梁结构损伤识别（国外建材科技，2006，27（2），105～107）”介绍了一种应用静力测量数据的损伤识别方法。该方法通过一步求解损伤控制方程来得到识别结果，识别偏差较大。而且由于没有进行损伤位置预测，造成未知量较多，求解方程时计算量大的问题。而文献“基于振动响应的耦合杆系统损伤识别（中山大学学报，2012，51（5），31～35）”提出了一种基于振动响应的模型修正方法。该方法通过循环迭代来对损伤参数进行识别，能得到较好的识别结果。然而由于应用到时域响应数据，要求测量一定时间内的振动数据，所以所测量的数据量相对较多。同样的，由于没有对损伤位置先做预测，会造成识别效率较低的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种使用少量静态测量数据的结构损伤识别方法，该方法检测所需数据量少，效率高，且具有较高的精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于少量静态测量数据的结构损伤定位与程度识别方法，基于残余应变能的概念，通过有限元模型缩聚方法减少需测量数据，从而进行可疑单元的预测；然后应用基于静响应灵敏度的模型修正方法，对可疑单元的损伤参数进行识别，以精确检测出损伤位置和损伤程度。

上述方法可以简单概括为包括以下步骤：1）根据指标D_i选取加载方案；2）计算各单元的残余应变能（RSE）值；3）比较各RSE的值，选择RES值较大的单元定义为有可能出现损伤的可疑单元；4）基于可疑单元的损伤参数{α}，计算灵敏度矩阵[S]以及待修正模型和真实模型的响应差值{δU_m}；5）求解方程[S]{δα}={δU_m}；6）更新可疑单元的损伤参数α^it+1=α^it+δα^it；7）若未达到精度要求则回到4）循环迭代，否则输出损伤参数作为识别结果。该方法定义了残余应变能的概念，能对损伤位置进行预测，减少需要识别的参数数量。然后应用静态响应灵敏度的方法进行模型修正。所需数据量少，识别效率和精度较高。

上述方法具体可以包括以下步骤：

1）用有限元方法将待检测结构进行简化建模，并把结构划分为nel个单元；

2）基于应变能的概念，选择静载施加方案；所使用的应变能准则为：