基于紧固连接界面状态识别的结构安全监测方法及系统与流程

本发明属于数据处理，具体涉及基于紧固连接界面状态识别的结构安全监测方法及系统。

背景技术：

1、紧固连接是输电铁塔、风电等设施核心传力部位，界面微滑移、预紧衰减等早期隐患隐蔽难察。连接界面持续发生微滑移会诱发螺栓交变附加应力，加速螺纹磨损、产生疲劳裂纹。预紧力逐步衰减将降低构件间接触刚度，造成荷载传递路径畸变，加剧局部应力集中，长时累积极易引发螺栓松动、构件滑移错动，严重时诱发构件断裂、塔架失稳垮塌等重大安全事故。

2、输电铁塔长期经受风荷载、覆冰、温差循环等交变载荷作用，铁塔主材、斜材、连接板处螺栓紧固连接极易出现预紧力缓慢流失、接触面滑移发展等问题，一旦逐步劣化会引发构件应力重分布，威胁整条输电线路运行安全。及时识别界面状态可提前预警连接失效，规避构件断裂、塔体垮塌事故，降低运维检修成本，保障结构长期服役安全。

3、现有基于振动信号的紧固连接界面状态识别方法，通常在被连接构件表面布设振动传感器，采集结构服役过程中的振动响应信号，通过提取固有频率、阻尼比、振动传递率等稳态模态特征，反推连接界面的整体接触刚度与预紧状态，以此判断界面是否发生松动劣化。例如，在风电塔筒法兰或钢箱梁高强螺栓节点这类长期承受周期性交变工作载荷的工程结构中，紧固连接界面常因偏载、局部介质腐蚀、单颗螺栓预紧力衰减，出现仅局部区域发生微滑移和微小脱隙的非均匀早期劣化；此时界面整体平均接触刚度降幅极微，常规稳态振动特征无显著变化，极易被环境噪声与载荷波动掩盖；而且在结构自身交变工作载荷的周期性作用下，非均匀劣化区域会随交变载荷作用在不同载荷相位发生交替接触与脱离，使界面调制响应在连续载荷周期内具有相位迁移特性，进而对结构本体振动信号形成隐性的幅度调制效应；现有的稳态信号分析方法与特征提取方法很难将其有效分离、量化并用于界面劣化识别，导致紧固连接界面的早期局部损伤难以被精准捕捉，漏判风险高，无法满足结构安全早期预警的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于解决紧固件由于长期承受周期性交变工作载荷的工程结构中出现仅局部区域发生微滑移、微小脱隙的非均匀早期劣化，导致紧固连接界面的早期局部损伤难以被精准捕捉无法满足结构安全早期预警的需求的问题，而提出基于紧固连接界面状态识别的结构安全监测方法及系统。

2、在本发明实施的第一方面，首先提出基于紧固连接界面状态识别的结构安全监测方法，所述方法包括：

3、获取风电塔筒法兰运行过程中的振动信号及对应的工作载荷数据，通过所述工作载荷数据对所述振动信号进行分段处理得到周期振动数据；

4、对各周期振动数据进行划分并提取各阶段对应的振动数据，并将不同周期中处于相同载荷阶段的振动数据进行叠加处理得到各载荷阶段对应的阶段振动数据；

5、根据各阶段振动数据计算出相邻载荷阶段之间的振动变化数据，并按载荷阶段顺序对各振动变化数据进行组合处理得到调制数据；所述调制数据表征振动随载荷阶段变化情况；

6、通过所述调制数据确定各载荷阶段对应的界面接触状态，并按载荷阶段顺序对各界面接触状态进行连续判定得到紧固连接界面的状态识别结果，根据所述状态识别结果确定对应的安全监测结果。

7、可选地，通过所述工作载荷数据对所述振动信号进行分段处理得到周期振动数据，包括：

8、根据所述工作载荷数据确定各载荷峰值点和各载荷谷值点，并将相邻载荷峰值点之间对应的时间范围确定为第一周期区间，将相邻载荷谷值点之间对应的时间范围确定为第二周期区间；

9、分别提取第一周期区间和第二周期区间对应的振动信号，并判断两者在重叠时间范围内的振动幅值变化率是否满足预设一致性条件；

10、若满足预设一致性条件时，将第一周期区间和第二周期区间的重叠部分确定为稳定响应区段，并将稳定响应区段向两侧扩展至对应载荷峰值点和载荷谷值点之间得到目标周期区间；

11、根据所述目标周期区间对振动信号进行截取处理，得到周期振动数据。

12、分别利用载荷峰值点和载荷谷值点确定周期区间，并以两者共同覆盖且振动响应一致的区域作为周期定位依据，避免因载荷波动或周期边界偏移导致周期划分不准确，以稳定响应区段为基准确定目标周期区间，使截取的周期振动数据具有更好的完整性和一致性。

13、可选地，将不同周期中处于相同载荷阶段的振动数据进行叠加处理得到各载荷阶段对应的阶段振动数据，包括：

14、根据目标周期区间内工作载荷数据的变化方向对各目标周期区间进行载荷阶段划分得到第一预设数量个载荷阶段；

15、提取各周期振动数据中处于同一载荷阶段的振动数据，并分别确定各振动数据对应的起始采样时刻和结束采样时刻；

16、将各振动数据按起始采样时刻依次首尾对齐，确定出各振动数据共同覆盖的重叠区间；

17、对重叠区间对应的振动数据进行叠加处理得到第一阶段振动数据；

18、将各振动数据位于重叠区间之外的剩余部分按照与所述第一阶段振动数据相邻的位置分别进行拼接处理得到阶段振动数据。

19、按工作载荷变化方向对周期振动数据进行载荷阶段划分，并对不同周期中相同载荷阶段的振动数据进行重叠对齐和叠加处理，再将非重叠部分进行拼接，使不同周期对应载荷阶段的振动响应统一至同一时间基准；能够减弱随机扰动和周期差异的影响，提高各载荷阶段振动响应的一致性。

20、可选地，根据各阶段振动数据计算出相邻载荷阶段之间的振动变化数据，包括：

21、分别从第一载荷阶段对应的末尾采样时刻逆序提取第二预设数量的振动采样值，从第二载荷阶段对应的首个采样时刻顺序提取第二预设数量的振动采样值，并组成相邻载荷阶段对应的目标振动数据；

22、将目标振动数据按采样时间顺序依次对应，计算出各对应采样时刻振动采样值之间的变化量，得到交界位置对应的局部变化数据；

23、沿相邻载荷阶段交界位置依次移动所述预设时间范围，重复执行局部变化数据的计算，得到覆盖整个相邻载荷阶段交界区域的局部变化数据；

24、根据局部变化数据生成相邻载荷阶段之间的振动变化数据。

25、针对载荷阶段切换过程中微弱振动变化易被整体振动响应掩盖的问题，通过提取交界位置前后的连续振动数据并沿交界区域连续计算局部变化数据，使载荷阶段切换过程中的振动变化得到连续表征，避免仅依据单一位置进行分析而遗漏局部微滑移信息，提高相邻载荷阶段振动变化数据的完整性和界面早期劣化识别的准确性。

26、可选地，按载荷阶段顺序对各振动变化数据进行组合处理得到调制数据，包括：

27、根据各振动变化数据对应的载荷阶段交界时刻确定各振动变化数据的阶段归属，并按各载荷阶段在目标周期区间中的先后次序对各振动变化数据进行排序；

28、将同一目标周期区间内相邻载荷阶段对应的振动变化数据按时间连续关系进行首尾衔接，形成与载荷阶段切换过程相对应的连续变化片段；

29、对所述连续变化片段中相邻振动变化数据的连接处进行一致性保留处理得到连接后的连续振动变化数据；

30、将各连续振动变化数据按照目标周期区间的先后顺序进行组合得到调制数据。

31、通过按载荷阶段对振动变化数据进行排序、衔接及组合处理，将原本分散于各载荷阶段切换过程中的振动变化重新组织为覆盖完整载荷周期的调制数据，避免相邻阶段振动变化信息的割裂，提高载荷阶段之间振动响应的连续性和完整性，从而更准确地反映紧固连接界面随交变载荷变化的接触响应。

32、可选地，通过所述调制数据确定各载荷阶段对应的界面接触状态，包括：

33、根据所述调制数据中各连续振动变化数据与目标周期区间内载荷阶段的对应关系，提取各载荷阶段对应的阶段调制片段；

34、分别对各阶段调制片段中相邻采样时刻的变化量进行方向判定，得到各阶段调制片段对应的变化方向；

35、将相邻载荷阶段对应的阶段调制片段在阶段切换边界处的变化方向进行比对判定得到界面接触状态；所述界面接触状态包含稳定贴合状态、局部微滑移状态和局部脱隙状态。

36、通过将调制数据映射至各载荷阶段，并结合阶段切换边界处振动变化方向的连续变化特征确定界面接触状态，实现了振动响应与实际受载阶段的对应分析，能更准确地区分稳定贴合、局部微滑移和局部脱隙等不同接触状态，提高紧固连接界面早期劣化识别的准确性。

37、可选地，按载荷阶段顺序对各界面接触状态进行连续判定得到紧固连接界面的状态识别结果，包括：

38、按目标周期区间内各载荷阶段的顺序依次获取各载荷阶段对应的界面接触状态，并将当前载荷阶段对应的界面接触状态与前一载荷阶段对应的界面接触状态进行承接比较：

39、若当前载荷阶段对应的界面接触状态与前一载荷阶段对应的界面接触状态相同，且与后一载荷阶段对应的界面接触状态相同时，将对应连续载荷阶段合并为同一状态区段；

40、若当前载荷阶段对应的界面接触状态与前一载荷阶段对应的界面接触状态不同，且与后一载荷阶段对应的界面接触状态相同时，将当前载荷阶段对应的界面接触状态确定为阶段切换状态并保留；

41、若当前载荷阶段对应的界面接触状态仅在单一载荷阶段内出现且与相邻载荷阶段对应的界面接触状态均不相同时，将该界面接触状态确定为瞬态扰动状态并从状态识别结果中剔除；

42、根据保留后的各状态区段形成紧固连接界面的状态识别结果。

43、通过按载荷阶段顺序对界面接触状态进行连续判定，利用相邻载荷阶段之间的状态承接关系对连续状态进行合并，对仅在单一载荷阶段出现的瞬态异常进行剔除，避免随机振动扰动对识别结果的影响，使状态识别结果更加符合紧固连接界面实际接触状态的连续变化规律，大幅提高早期局部劣化识别的稳定性。

44、在本发明实施的第二方面，提出基于紧固连接界面状态识别的结构安全监测系统，所述系统包括：

45、分段处理模块，用于获取风电塔筒法兰运行过程中的振动信号及对应的工作载荷数据，通过所述工作载荷数据对所述振动信号进行分段处理得到周期振动数据；

46、叠加处理模块，用于对各周期振动数据进行划分并提取各阶段对应的振动数据，并将不同周期中处于相同载荷阶段的振动数据进行叠加处理得到各载荷阶段对应的阶段振动数据；

47、组合处理模块，用于根据各阶段振动数据计算出相邻载荷阶段之间的振动变化数据，并按载荷阶段顺序对各振动变化数据进行组合处理得到调制数据；所述调制数据表征振动随载荷阶段变化情况；

48、连续判定模块，用于通过所述调制数据确定各载荷阶段对应的界面接触状态，并按载荷阶段顺序对各界面接触状态进行连续判定得到紧固连接界面的状态识别结果，根据所述状态识别结果确定对应的安全监测结果。

49、本发明的有益效果：

50、本发明通过工作载荷数据对振动信号进行周期分段，并对不同周期中相同载荷阶段的振动数据进行叠加处理，增强载荷阶段对应振动响应的一致性，计算出相邻载荷阶段之间的振动变化数据，并按载荷阶段顺序重构形成调制数据，使分散于各载荷阶段切换过程中的振动变化重新组织为连续变化信息，再根据各载荷阶段对应的界面接触状态进行连续判定，实现对局部微滑移、局部脱隙等早期非均匀劣化的精准识别，有效提高结构安全监测的准确性。