一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法

技术领域

本发明涉及结构损伤检测技术领域，具体涉及一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法。

背景技术

壳体结构设施如油气储罐、核设施、风机主塔、电站锅炉、压力管道等在长期服役中会在结构内部产生腐蚀、裂缝、凹坑等典型损伤，这些损伤在积累后会加剧破坏设施整体稳定性，最终造成重大安全事故，严重威胁壳体结构设施的安全运行。近几十年针对壳体结构的损伤检测方法已经存在大量研究，并逐渐形成了以振动类损伤检测方法为主的壳体结构设施损伤检测体系。然而通过研究结构模态振型，结合拉普拉斯算子和二维连续小波构造一种方向性小波多尺度振型衍生量，并应用于壳体结构损伤检测的研究还未见报道。

壳体结构设施的损伤多出现于结构内部，无法通过目视直接判断损伤位置，而传统振动类损伤检测方法无法同时满足无损检测、辨识结构早期弱损伤、抗噪声干扰、有效识别多种典型损伤等要求，因此采用传统振动类损伤检测方法定位壳体结构内部损伤的方式不够精确。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法，通过构造振型衍生量并结合小波变换概念进行改进，进而提出一种基于方向性小波多尺度振型衍生量的壳体结构损伤检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法，包括以下步骤：

获取待检测壳体结构任一固有频率下的模态振型，对模态振型进行连续拉普拉斯变换计算，获得振型衍生量；

选取不同的二维连续母小波，分别构造二维连续母小波的4次积分函数，并与振型衍生量进行卷积，分别得到各方向性小波多尺度振型衍生量；

观察各方向性小波多尺度振型衍生量的损伤识别效果，确定具有最优辨识效果的二维连续母小波；

选取最优辨识效果的二维连续母小波，并依次选取不同角度参数和尺度参数，分别观察各方向性小波多尺度振型衍生量的损伤识别效果，确定具有最优辨识效果的角度参数和尺度参数；

选取最优辨识效果的二维连续母小波、角度参数和尺度参数，构造方向性小波多尺度振型衍生量，根据振型衍生量图中奇异峰出现的位置判断损伤处。

优选地，所述对模态振型进行连续拉普拉斯变换计算，获得振型衍生量，包括以下步骤：

建立带损伤壳体结构的有限元模型，进行模态分析求解，得到任一固有频率下的模态振型W(x

对带损伤壳体结构的模态振型W(x

其中，

优选地，所述各方向性小波多尺度振型衍生量的计算，包括以下步骤：

设二维连续母小波的4次积分为一光滑函数g(x

其中，a为尺度参数，b

优选地，还包括：

计算求得的方向性小波多尺度振型衍生量

优选地，所述二维连续母小波的选取包括23类二维连续母小波，对比损伤识别效果，选出辨识性能最佳的二维连续母小波。

优选地，还包括：所述角度参数范围为：

i/6π，i＝0,1,2…11

其中，共计十二个表示方向的参数值。

优选地，还包括：所述尺度参数a的区间范围为[1,12]。

本发明的有益效果：

本发明提出一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法，与传统振动类损伤检测方法在壳体结构应用中的效果相比，具有以下有益效果：本发明提出的振型衍生量，是通过对振型的连续拉普拉斯变换求得，具有放大损伤所造成奇异值的能力，克服了传统振型类损伤检测方法对结构早期弱损伤不敏感的缺陷。本发明提出的方向性小波多尺度振型衍生量，通过结合小波变换概念对振型衍生量进行改进，具有优化损伤识别性能、平滑噪声的效果。本发明满足了壳体结构损伤识别中，对早期弱损伤敏感、减轻噪声干扰、适用于多种典型损伤的要求，为实际工程中的壳体结构设施损伤检测方法提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例的薄壁圆筒结构有限元模型图；

图3为本发明实施例的薄壁圆筒结构第一阶模态振型图；

图4为本发明实施例的薄壁圆筒结构第一阶模态振型平面展开图；

图5为本发明实施例的振型衍生量图；

图6为本发明实施例的最佳识别小波下方向性小波多尺度振型衍生量图；

图7为本发明实施例的最佳识别角度下方向性小波多尺度振型衍生量图；

图8为本发明实施例的最佳识别尺度下方向性小波多尺度振型衍生量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种方向性小波多尺度振型衍生量壳体结构损伤检测方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、获取壳体结构任一固有频率下的模态振型W(x

步骤二、构造二维连续母小波的4次积分函数，与振型衍生量进行卷积，得到一种方向性小波多尺度振型衍生量；

步骤三、选取不同的二维连续母小波，构造对应的方向性小波多尺度振型衍生量，初步观察损伤识别效果，得到具有最优辨识效果的二维连续母小波；

步骤四、选取不同的角度参数，再次观察损伤识别效果，得到具有最优辨识效果的方向角；

步骤五、选取不同的尺度参数，最终观察损伤识别效果，得到具有最优辨识效果的尺度参数，根据识别图中奇异峰出现的位置判断损伤处。

具体的，步骤一中获取带损伤壳体结构模态振型的步骤包括：

(1)使用建模软件ANSYS建立带损伤壳体结构的有限元模型，设置壳体结构的半径、高度、材料厚度、材料密度、材料弹性模量和泊松比等参数，进行模态分析求解，得到任一固有频率下的模态振型W(x

(2)对带损伤壳体结构的模态振型W(x

其中

该振型衍生量在结构损伤处表现为明显的奇异值，该特征量通常可以通过有限元差分法求解获得：

式中，

具体的，步骤二的计算方式如下：

设二维连续母小波的4次积分为一光滑函数g(x

式中，a为尺度参数，b

式中，C

式中，

具体的，计算求得的方向性小波多尺度振型衍生量

具体的，步骤三的具体操作方式为通过使用23类常用二维连续母小波(如Morlet小波、Mexican hat小波、Dog小波、Gaus小波、Fan小波、Pethat小波、Dogpow小波、Sinc小波等)，对比损伤识别效果，选出辨识性能最佳的二维连续母小波。

所构造的方向性小波多尺度振型衍生量，进行初步观察损伤识别效果前，选取的尺度参数a＝1，角度参数φ＝π，进行壳体结构的损伤识别时，确定识别效果最佳的二维连续小波作为识别小波。

具体的，步骤四选取的角度参数φ为i/6π，i＝0,1,2…11,共计十二个表示方向的参数值。所构造的方向性小波多尺度振型衍生量，进行再次观察损伤识别效果前，选取的尺度参数a＝1，进行壳体结构的损伤识别时，确定识别效果最佳的角度参数作为识别角度。

具体的，步骤五可选取的尺度参数a的区间范围为[1,12]。进行壳体结构的损伤识别时，确定识别效果最佳的尺度参数作为识别尺度。最终通过观察识别图中奇异峰所在位置确定壳体结构损伤处。

本发明的工作原理如下：早期弱损伤引起的壳体结构动力响应变化不明显，且噪声容易掩盖动力响应信号，传统振动类损伤检测方法在壳体结构中的应用并不理想。基于此考虑，本发明提出对壳体结构模态振型的进行连续拉普拉斯变换求得一种振型衍生量，具有对早期弱损伤敏感的特质。构造二维连续母小波的4次积分函数，并卷积振型衍生量，得到一种方向性小波多尺度振型衍生量，具有优化损伤识别性能、平滑噪声的效果。最终通过观察损伤图中奇异峰所在位置定位壳体结构损伤。

实施例1

下面结合附图，通过实施例1对本发明进一步说明：

本实例采用的壳体结构为一个薄壁圆筒，该薄壁圆筒半径为10m，高度为20m，圆筒厚度为10mm，其弹性模量为201GPa，密度为7850kg/m

如图2所示，建立带损伤薄壁圆筒结构的有限元模型。

对带损伤薄壁圆筒结构进行模态分析，获取该壳体结构任一固有频率下的模态振型，选取第一阶模态振型为分析对象。

如图3所示，获得带损伤薄壁圆筒结构的第一阶模态振型。

如图4所示，将所获得带损伤薄壁圆筒结构的第一阶模态振型展开到二维平面，其中，h(m)代表薄壁圆筒的轴向高度方向，θ(°)代表薄壁圆筒的周向角度方向，W代表薄壁圆筒的模态振型，从图中难以直接通过振型判断损伤位置。

如图5所示，根据公式(1)-(5)计算求得带损伤薄壁圆筒结构第一阶固有频率下的振型衍生量，为便于观察，将该特征量归一化到[0,1]区间。从振型衍生量图中可以观察到损伤处出现较大奇异峰，其他区域出现不规则凸起，识别效果一般。

根据公式(6)-(7)得到带损伤薄壁圆筒结构第一阶固有频率下的方向性小波多尺度振型衍生量，为便于观察，将该特征量归一化到[0,1]区间。所构造的方向性小波多尺度振型衍生量，进行初步观察损伤识别效果前，选取的尺度参数a＝1，角度参数φ＝π，在分别代入不同二维连续母小波进行观察后，选用具有最佳识别效果的二维连续Morlet小波。

如图6所示，初步进行损伤识别，根据识别效果优劣，选用二维连续Morlet小波作为识别小波。从图中可以看出损伤位置处出现明显奇异峰，但是识别效果不佳，需要进行角度参数和尺度参数的调整。

确定二维连续Morlet小波作为识别小波后，选取尺度参数a＝1，调整角度参数，观察得到具有最佳识别效果的角度参数为φ＝0。

如图7所示，再次进行损伤识别，根据识别效果优劣，选取角度参数φ＝0作为识别角度。相比于图6，识别区域内部分凸起消失，识别效果更佳。

确定二维连续Morlet小波作为识别小波，确定角度参数φ＝0，调整尺度参数，观察得到具有最佳识别效果的尺度参数为a＝3。

如图8所示，最后进行损伤识别，选取尺度参数a＝3作为识别尺度。相比于图7，识别区域内只有明显的奇异峰，噪声干扰引起的不规则凸起已经消失，可以根据奇异峰所在位置确定壳体结构内部损伤处。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。