一種基于反共振頻率和粒子群算法的梁構(gòu)件損傷識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基 于反共振頻率和粒子群算法的梁構(gòu)件損傷識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土木工程結(jié)構(gòu)，是人類活動(dòng)的重要場(chǎng)所，與人們的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，而經(jīng)常 發(fā)生的地震、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等自然災(zāi)害更是對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴(yán)重的威脅，除此之 外，結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，隨著使用年限的增長(zhǎng)，由于環(huán)境荷載的作用、疲勞效應(yīng)等不利因素， 結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生損傷累積和抗力衰減，當(dāng)這些損傷積累到一定的程度時(shí)，會(huì)對(duì)整體 結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生負(fù)面影響，嚴(yán)重者甚至引起結(jié)構(gòu)最終失效，造成重大的人員傷亡和財(cái) 產(chǎn)損失。因此，對(duì)在役的重要土木工程結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，特別是早期微小損 傷的檢測(cè)特別必要。近年來(lái)，隨著大跨度橋梁、隧道等大型項(xiàng)目的實(shí)施，基于振動(dòng)響應(yīng)和系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與損傷識(shí)別迅速成為國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0003] 基于振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)特征參數(shù)的損傷識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一在于選取一個(gè)可 測(cè)的、對(duì)結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)，并期望依據(jù)該參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度作出最終判斷。損傷程度 對(duì)結(jié)構(gòu)（尤其是梁構(gòu)件）的使用與維護(hù)均具有重要意義，它能為結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)用提供保障， 并為結(jié)構(gòu)的合理充分利用提供參考，在確保實(shí)際應(yīng)用中的安全前提下，能充分調(diào)動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn) 用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，結(jié)構(gòu)損傷引起結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，報(bào)道較多的損傷檢測(cè)參數(shù)主要為結(jié)構(gòu) 的固有頻率、振型等，依據(jù)這些參數(shù)模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷程度，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜；但是，固有頻率 參數(shù)反映的是結(jié)構(gòu)的總體特性，對(duì)剛度、質(zhì)量的局部變化不敏感，而基于振型的數(shù)據(jù)在實(shí) 際工程中很難測(cè)量準(zhǔn)確，這些因素導(dǎo)致依據(jù)結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn) 行模擬計(jì)算的結(jié)論往往與實(shí)際情況存在較大出入，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏針對(duì)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種基于反共振頻 率和粒子群算法的梁構(gòu)件損傷識(shí)別方法，其中通過(guò)對(duì)判斷結(jié)構(gòu)損傷的關(guān)鍵參量、依據(jù)參量 計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷程度的方法等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷程度計(jì) 算方法精確度不高、實(shí)際應(yīng)用困難的問(wèn)題；并且通過(guò)先損傷定位后計(jì)算損傷程度的兩步識(shí) 別法，結(jié)合粒子群算法，控制了損傷程度計(jì)算過(guò)程中變量的數(shù)量，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，能大大 提高計(jì)算模擬過(guò)程的效率。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于反共振頻率和粒子群 算法的梁構(gòu)件損傷識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] (1)在梁構(gòu)件上取均布的多個(gè)點(diǎn)作為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，依次在所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)上施加簡(jiǎn)諧 激勵(lì)，分別獲得該梁構(gòu)件在無(wú)損狀態(tài)下和損傷狀態(tài)下所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的機(jī)械阻抗；
[0007] (2)根據(jù)所述步驟（1)中該梁構(gòu)件在無(wú)損狀態(tài)下和損傷狀態(tài)下所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的 機(jī)械阻抗，分別得到所述各個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)在無(wú)損狀態(tài)下和損傷狀態(tài)下的一階反共振頻率；接著， 根據(jù)這些一階反共振頻率，分別繪制在無(wú)損狀態(tài)下和損傷狀態(tài)下關(guān)于一階反共振頻率和驅(qū) 動(dòng)點(diǎn)位置的關(guān)系曲線，根據(jù)其中的所述在損傷狀態(tài)下的關(guān)系曲線的突變位置，相應(yīng)確定梁 構(gòu)件上的損傷部位；
[0008] (3)假設(shè)所述梁構(gòu)件損傷部位對(duì)應(yīng)某一損傷程度，并將該假設(shè)損傷程度下的一階 反共振頻率作為基準(zhǔn)一階反共振頻率；接著，以梁構(gòu)件的損傷程度為優(yōu)化變量，再以不同損 傷程度變量下的一階反共振頻率與所述基準(zhǔn)一階反共振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差為目標(biāo)函數(shù)，利用粒 子群算法進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)滿足誤差閾值ERR時(shí)，對(duì)應(yīng)的所述損傷程度變量值即 為所述梁構(gòu)件的實(shí)際損傷程度。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（3)中的目標(biāo)函數(shù)被設(shè)計(jì)如下：所述各個(gè)驅(qū) 動(dòng)點(diǎn)在實(shí)際損傷狀態(tài)下的一階反共振頻率與所述基準(zhǔn)一階反共振頻率的標(biāo)準(zhǔn)差之和。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟（3)中目標(biāo)函數(shù)利用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化包 括以下步驟：
[0011] a.在一個(gè)一維目標(biāo)搜索空間中，生成包含s個(gè)粒子的初始種群，各個(gè)粒子的位置 與所述損傷程度變量相對(duì)應(yīng)，其中第i個(gè)粒子的位置保存在列向量X的第i行，第i個(gè)粒子 的速度保存在列向量V的第i行，i= 1，2,…，s;
[0012] 所述列向量X滿足X=randl(s, 1)X(bup-blo)，所述列向量V滿足V= vblo+rand2 (s, 1)X(vbup-vblo)，其中randl(s, 1)和rand2 (s, 1)均是行數(shù)為s的列向量， randl(s，1)和rand2(s，1)每個(gè)元素的數(shù)值均為在開(kāi)區(qū)間（0, 1)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；損傷程度上 邊界bup= 1，損傷程度下邊界bio= 0 ;粒子速度的上邊界vbup= 1，粒子速度的下邊界 vblo= -1；
[0013]b.設(shè)置誤差閾值ERR和最大迭代次數(shù)M，其中M為正整數(shù)；
[0014]c.開(kāi)始迭代，此時(shí)迭代次數(shù)j為1;使個(gè)體最優(yōu)矩陣Pm=X，全局最優(yōu)粒子Pg為 矩陣Pm中使目標(biāo)函數(shù)值gbnii)最小的元素；i= 1，2,…s;
[0015]d.計(jì)算全局最優(yōu)粒子Pg對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值g(Pg)，并判斷其是否小于誤差閾值 ERR，如果小于則執(zhí)行步驟i，否則轉(zhuǎn)入步驟e;
[0016]e.更新每個(gè)粒子的位置Xi、每個(gè)粒子的速度Vi，使Xi、別滿足：
[0017] vJ+1i=wXvJi+cl Xrl X(pnij-x^)+c2 Xr2 X(Pg-x^)；
[0018]xJ+\=xJi+vJ+1i； w-w
[0019] 其中，j為迭代次數(shù)，w為慣性權(quán)重因子，w = w叫X_(./-1)X丨丨丨丨訓(xùn),rl、r2為 (0, 1)之間的均勾分布的隨機(jī)數(shù)；cl，c2為學(xué)習(xí)因子；i= 1，2,一s;wmax= 1. 2 ;wmin= 0.4 ;
[0020] f.更新個(gè)體最優(yōu)粒子矩陣Pm:將第i個(gè)粒子的目標(biāo)函數(shù)值g(Xi)與局部最優(yōu)粒子 矩陣Pm的第i行的元素pnii對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值g(pm J比較，如果g(Xi) < gbnii)，則更新 口1^使pm i=x i，否則保持口1^的值不變；i=1，2,…，s;
[0021] g.更新全局最優(yōu)粒子Pg:將局部最優(yōu)粒子矩陣Pm中使目標(biāo)函數(shù)值g^nii)最小的 矩陣元素值作為更新后的全局最優(yōu)粒子Pg ;
[0022] h.將j+1后的結(jié)果作為j;如果j小于等于M，則轉(zhuǎn)入步驟d;
[0023]i.將與Pg相對(duì)應(yīng)的損傷程度作為所述梁構(gòu)件的實(shí)際損傷程度。
[0024] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述粒子個(gè)數(shù)s= 20,學(xué)習(xí)因子cl=c2 = 2. 05,最大 迭代次數(shù)M = 15。<