一種改進的靜力傳感器的優化布設方法
【專利摘要】本發明公開了一種改進的靜力傳感器的優化布設方法，包括：S1.建立全橋的實體有限元模型，并對其修正；S2.用修正后的模型建立n種損傷情況下有限元損傷模型，并提取各損傷情況下潛在位置處的應變預測值；S3，根據傳感器測量精度，將應力預測值劃分為若干區間，相應的應力預測值處于同一區間的損傷模型即為不可識別損傷模型；將包含模型的區間設為集合bik，集合bik中的元素為不可識別的損傷狀態且多個bik組成集合Bi；S4，若各傳感器的潛在位置個數為m，傳感器的個數為s，計算Y＝{B1∩B2...∩BS}；子集中元素數量最少的數目即最少的不可識別模型的個數Ymin，Ymin對應的傳感器的布設即最優的傳感器布設。本發明可實現用最少的傳感器最大程度的區分橋梁結構的各種可能損傷。
【專利說明】一種改進的靜力傳感器的優化布設方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種改進的靜力傳感器的優化布設方法，屬于橋梁領域。
【背景技術】
[0002]橋梁工程中可采用的靜力傳感器種類主要有測試撓度的位移計及測試應變、應力的應變計等。由于經濟和結構運行狀態等方面的原因，在結構上安置過多的傳感器是不可能的，因此需要對傳感器的位置進行優化布設，使其能夠應用最少的傳感器最大程度的區分結構的各種可能的損傷情況。
[0003]傳感器的優化布設是橋梁結構健康監測過程中的一個重要問題，以往的監測中，為了盡可能多的獲取橋梁不同位置的信息采取的方法一般是在橋梁內部埋入較多的傳感器，然而這種做法會帶來以下不良后果:一、增加了監測系統的成本；二、過多的傳感器本身也會對橋梁的結構造成不利的影響。因此應盡量做到使用較少的傳感器獲得盡可能多的結構健康信息。
[0004]《華北電力大學(河北)》2008公開了一種基于多源信息融合的傳感器故障診斷方法，其采用傳感器對故障進行診斷，但是該方法并非是針對橋梁的故障診斷，且其也并未涉及傳感器的優化布設算法；Park, jae-Hyung, Ho, Duc-Duy, Ryu, Yeon-Sun, et al.Damagedetect1n algorithm-embedded smart sensor node system for bridge structuralhealth monitoring[C]//Proceedings of SPIE-The Internat1nal Society for OpticalEngineering, 2009 (7292),該文采用自主智能傳感器節點對預應力混凝土橋梁健康監測(SHM)進行了分析，設計了基于加速和阻抗的智能傳感器節點，建立了專門的操作系統，使用智能傳感器節點使用全局和局部混合的方法對其進行了監控監測，但是該文也并未涉及傳感器的優化布設；Lee, Soon Gie, Yun GunJin Real-time health monitoring of bridgestructures using a reference-free damage detect1n algorithm[C]//Proceedingsof SPIE-The Internat1nal Society for Optical Engineering, 2011 (7981),該文提出了一個連續的實時結構監控監測(SHM)和損傷監測系統，采用小波包分解(WPD)對所造成的橋梁損傷建立了敏感指標(DSI)，采用基準模型修正結構儀表和加速度傳感器用于監測系統的試驗，該文采用了修正結構儀表和加速度傳感器，用于損傷檢測系統，并建立了敏感指標，但是其也并不涉及靜力傳感器的優化布設。因此還需要對用于橋梁健康監測的靜力傳感器的優化布設進行進一步研究。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，提供一種改進的靜力傳感器的優化布設方法，它可以有效解決現有技術中存在的問題，尤其是沒有一種現成的橋梁靜力傳感器傳感器的優化布設方法，實現應用最少的靜力傳感器最大程度的區分橋梁結構的各種可能的損傷情況的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案:一種改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0007]S1.建立全橋的實體有限元模型，對該實體有限元模型進行修正；
[0008]S2.采用修正后的實體有限元模型模擬不同荷載情況下橋梁不同位置的受力情況，建立η種損傷情況下的有限元損傷模型，并提取各種損傷情況下各傳感器潛在位置i處的應變預測值Pij,其中，i為傳感器的潛在位置，j為損傷情況，I ^ j ^ η ；
[0009]S3，根據傳感器的測量精度，將傳感器潛在位置i處的應力預測值Pi劃分為若干區間，相應的應力預測值處于同一區間的損傷模型即為不可識別損傷模型；將包含兩個或兩個以上的模型的區間設為集合bik，其中，k為不可識別損傷數，O≤k < j ;集合bik中的元素為各種不可識別的損傷狀態且多個bik組成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}；
[0010]S4，若各傳感器的潛在位置個數為m，傳感器的個數為S，計算Y =IB1 n B2...n BJ ;子集中元素數量最少的數目即為最少的不可識別模型的個數Ymin，Ymin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
[0011]優選的，步驟SI中，所述的對該實體有限元模型進行修正包括:采用均勻設計法對該實體有限元模型進行一次修正。
[0012]具體的說，所述的采用均勻設計法對該實體有限元模型進行一次修正包括以下步驟:
[0013]XI,選取目標函數Q(X)和待修正的m個參數變量X ;
[0014]X2，將每個參數變量的取值劃分為η個水平；所述水平的個數η根據工程要求的精度來確定；
[0015]Χ3，根據均勻設計表及其使用表選取參數水平組合進行試驗；
[0016]Χ4，將每次試驗得到的靜力數據與實測靜力數據帶入目標函數和誤差指標函數中即得每次試驗的結果；
[0017]Χ5，比較各個試驗結果，得目標函數與誤差指標函數最小時的參數水平，基于此參數水平的有限元模型即一次修正后的基準有限元模型。
[0018]前述的步驟Xl所述的目標函數Q(X)具體為:
【權利要求】
1.一種改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于:包括以下步驟: S1.建立全橋的實體有限元模型，對該實體有限元模型進行修正； S2.采用修正后的實體有限元模型模擬不同荷載情況下橋梁不同位置的受力情況，并建立η種損傷情況下的有限元損傷模型；提取各種損傷情況下各傳感器潛在位置i處的應變預測值Pij,其中，i為傳感器的潛在位置，j為損傷情況，I ≤ j ≤η ； S3，根據傳感器的測量精度，將傳感器潛在位置i處的應力預測值Pi劃分為若干區間，相應的應力預測值處于同一區間的損傷模型即為不可識別損傷模型；將包含兩個或兩個以上的模型的區間設為集合bik，其中，k為不可識別損傷數，O≤k< j ;集合bik中的元素為各種不可識別的損傷狀態且多個bik組成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}； S4，若各傳感器的潛在位置個數為m，傳感器的個數為S，計算Y = (B1 Π B2...H Bj ；子集中元素數量最少的數目即為最少的不可識別模型的個數Ymin，Yfflin所對應的傳感器的布設位置即為最優的傳感器布設。
2.根據權利要求1所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，步驟SI中，所述的對該實體有限元模型進行修正包括:采用均勻設計法對該實體有限元模型進行一次修正。
3.根據權利要求2所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，所述的采用均勻設計法對該實體有限元模型進行一次修正具體包括以下步驟: XI，選取目標函數Q(x)和待修正的m個參數變量X ; X2，將每個參數變量的取值劃分為η個水平； Χ3，根據均勻設計表及其使用表選取參數水平組合進行試驗； Χ4，將每次試驗得到的靜力數據與實測靜力數據帶入目標函數和誤差指標函數中即得每次試驗的結果； Χ5，比較各個試驗結果，得目標函數與誤差指標函數最小時的參數水平，基于此參數水平的有限元模型即一次修正后的基準有限元模型。
4.根據權利要求3所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，步驟Xl所述的目標函數Q(x)具體為:
其中，Q (X)為目標函數，^為權重系數，Si(X)為第i點的應變值，A為i個應變的平均值。
5.根據權利要求4所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，步驟X4所述的誤差指標函數為: 單個測點數據的誤差率:
所有測點數據的平均誤差率:
式中，XpX1.分別為有限元模型計算得到的測點數據和現場實測得到的測點數據。
6.根據權利要求2所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，所述的均勻設計法的實驗次數為參數變量個數的3~5倍。
7.根據權利要求2~6任一所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法,其特征在于，所述的對該實體有限元模型進行修正還包括:利用均勻設計法選取試驗點生成響應面，采用響應面法對該實體有限元模型進行二次修正。
8.根據權利要求7所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，所述的利用均勻設計法選取試驗點生成響應面，采用響應面法對該有限元損傷模型進行二次修正具體包括以下步驟: a,通過均勻設計表獲得橋梁隨機參數變量X的ns個樣本點，通過均勻設計試驗即得響應面目標函數的樣本點數值Y，Y = [y1,y2,..., yns] ； b，利用參數變量X和目標函數的樣本點數值Y回歸分析得待定因子的最小二乘估計值，進而獲得響應面函數； c,對響應面函數進行優化,得響應面目標函數與誤差指標函數最小時的參數變量取值，基于此參數變量的結構有限元模型即為橋梁二次修正后的有限元模型。
9.根據權利要求8所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，所述的參數變量X= [E，P，μ ]，其中，E為混凝土彈性模量，P為混凝土密度，μ為泊松比。
10.根據權利要求9所述的改進的靜力傳感器的優化布設方法，其特征在于，還包括:依據修正后的全橋的實體有限元模型，判斷其獲得的應力損失量或彈性模量損失量是否達到設定的預警值。
【文檔編號】G06F17/50GK104133960SQ201410363654
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】吳朝霞, 王立夫, 趙玉倩, 邵元隆, 李俞成, 樊紅 申請人:東北大學