[发明专利]一种有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法及装置

权利要求书

1.一种有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法，其特征在于，包括：

建立包含钢轨、轨枕和道砟层的二维有砟轨道系统模型，用于描述待测有砟轨道在激励力作用下的响应，并将所述二维有砟轨道系统模型中的枕下道砟层沿轨枕纵向分为n个区域；除道砟刚度之外，所述二维有砟轨道系统模型其余的各项参数均与所述待测有砟轨道在无损状态下的各项参数一致；n为预设的正整数；

对锤击试验中采集自所述待测有砟轨道的轨枕上多个数据采集点的加速度时程数据进行模态识别，得到所述待测有砟轨道在损伤状态下的频率和振型；

将所述待测有砟轨道在损伤状态下的频率和振型作为目标数据，采用稀疏贝叶斯方法对所述二维有砟轨道系统模型的道砟刚度损伤参数进行识别，得到损伤状态下所述二维有砟轨道系统模型的各个区域内道砟刚度损伤参数的最大后验估计值，作为对应区域的实际损伤程度，并基于该识别结果确定所述待测有砟轨道枕下道砟层的损伤区域及对应的损伤程度。

2.如权利要求1所述的有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法，其特征在于，将所述待测有砟轨道在损伤状态下的频率和振型作为目标数据，采用稀疏贝叶斯方法对所述二维有砟轨道系统模型的道砟刚度损伤参数进行识别，包括：

通过最小化目标函数J(θ)，得到损伤状态下所述二维有砟轨道系统模型的各个区域内道砟刚度损伤参数的最大后验估计值；

所述目标函数的表达式为：

其中，θ为道砟刚度损伤参数，和分别为所述待测有砟轨道在损伤状态下的频率和振型，α为道砟刚度损伤参数θ的方差倒数，β为频率平方的方差倒数，γ为振型的方差倒数；N_m为总的测量模态数，N_p为总的测点数；为所述待测有砟轨道在损伤状态下的第r阶频率，ω_r(θ)为利用所述二维有砟轨道系统模型得到的第r阶频率；为所述待测有砟轨道在损伤状态下的第r阶振型在第j个测点的振型位移，φ_j,r(θ)为利用所述二维有砟轨道系统模型得到的第r阶振型在第j个测点的振型位移；θ_i为第i个区域道砟刚度的损伤参数，α_i为道砟刚度损伤参数θ_i的方差倒数。

3.如权利要求2所述的有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法，其特征在于，所述目标函数J(θ)的获取方法包括：

(S1)基于稀疏贝叶斯方法，得到所述二维有砟轨道系统模型的道砟刚度损伤参数的后验概率密度函数为：

(S2)采用EM算法最大化证据函数的自然对数的期望，得到超参数{α,β,γ}的表达式分别如下：

(S3)采用Laplace近似方法，假设所述二维有砟轨道系统模型的道砟刚度损伤参数θ为高斯分布，其均值和协方差矩阵可以通过最大化似然函数的对数的期望得到，等价于求解如下目标函数J(θ)的最小值：

其中，c^-1为归一化常数，p(θ|α)为道砟刚度损伤参数的先验分布，为识别频率的似然函数，为识别振型的似然函数；E{·}表示求解参数的期望。

4.如权利要求2所述的有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法，其特征在于，还包括：

对于识别出的每一个损伤区域，将该区域内道砟刚度损伤参数的最大后验估计值作为高斯分布的均值；

求解海塞矩阵并以所述海塞矩阵的倒数作为高斯分布的协方差；

利用所述高斯分布的均值和所述高斯分布的协方差，对损伤区域内砟刚度损伤参数的概率分布进行描述；

其中，表示所述海塞矩阵中的第i行第j列的元素，i,j∈{1,2,…,n}。

5.如权利要求1-3任一项所述的有砟轨道枕下道砟层的损伤识别方法，其特征在于，所述二维有砟轨道系统模型中，枕下道砟层建模为等效刚度为k的弹性地基，轨枕建模为弹性地基上的铁木辛柯梁，两根钢轨建模为梁上对应位置上的附加质量块；

其中，k为预设的道砟刚度。