结构健康监测传感器的布置方法技术

本申请涉及一种结构健康监测传感器的布置方法，属于适用于特定领域数据处理方法技术领域。建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵，根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵，设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量，计算各构件所对应的柔度改变量；依次计算结构在所承担的恒荷载向量以及该向量作用下各构件所对应的变形能改变量，依次计算各构件所对应的重要性系数并排序，确定关键构件；在关键构件上布置传感器。将本申请应用于结构健康监测，具有计算过程简洁、用量少、操作便捷等优点。

Layout Method of Sensors for Structural Health Monitoring

The application relates to a layout method of a structural health monitoring sensor, belonging to the technical field of data processing method applicable to a specific field. The finite element model of the structure is established to obtain the stiffness matrix of the structure. According to the inverse relationship between the stiffness matrix and the flexibility matrix, the structural flexibility matrix is obtained. The damage magnitude of each component in the structure is assumed to be the same in severity, and the corresponding flexibility change magnitude of each component is calculated. The constant load vector of the structure and the corresponding flexibility change magnitude are calculated in turn. Under the action of vector, the corresponding amount of deformation energy change of each component is calculated, the corresponding importance coefficients of each component are sequenced, and the key components are determined. Sensors are arranged on the key components. The application for structural health monitoring has the advantages of simple calculation process, less consumption and convenient operation.

【技术实现步骤摘要】
结构健康监测传感器的布置方法
本申请涉及一种结构健康监测传感器的布置方法，属于适用于特定领域数据处理方法

技术介绍
工程结构在服役期间，由于材料老化、环境腐蚀、外力碰撞等因素都可能导致结构出现损伤状况，结构的早期损伤若不能得到及时监测和维修，将可能造成严重的生命和财产损失(杨秋伟，刘济科.工程结构损伤识别的柔度方法研究进展.振动与冲击，2011，30(12):147-153)。因此，必须采用技术手段对结构的健康工作状况予以监测，才可以及时进行维修加固避免灾难性的后果发生。目前，已经有许多种健康监测或损伤识别方法，如：CN101281117、CN102052935A、CN101915733A以及CN102998367A，这些专利通过在结构上布置静力位移或振动传感器，根据采集的参数变化来评估结构是否健康工作。然而，由于测量设备和成本的限制，不可能在结构上密集布置传感器，而只能布置少数的传感器，这必然涉及到传感器的优化布置问题。虽然已经有不少传感器优化布置方法被提出来，如张连振等发表的文章《基于多目标遗传算法的传感器优化布点研究》(工程力学，2007，24(4)，p168-172)、黄民水等发表的《基于改进遗传算法的桥梁结构传感器优化布置》(振动与冲击，2008，27(3)，p82-86)以及袁爱民等发表的《基于EI及MAC混合算法的斜拉桥传感器优化布置》(振动、测试与诊断，2009，29(1)，p55-59)，但这些方法基本上都是由振动控制领域的相关方法改进而来，并不十分适合于健康监测，且计算过程比较复杂。另外，不同的恒载作用下，传感器的布置方案也必然不同，目前的传感器布置方法都没有考虑恒载作用方式的影响。基于此，做出本申请。
技术实现思路
针对现有结构健康检测技术中所存在的上述缺陷，本申请提供一种恒载作用下的结构健康监测传感器的优化布置方法，该方案不仅能够考虑恒载作用方式的影响，且计算过程简洁。为实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：结构健康监测传感器的布置方法，包括以下步骤：(1)首先建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K；(2)对刚度矩阵K进行分解，把它分解为自由度关系矩阵X和刚度参数对角矩阵G的乘积形式，即K＝XGXT；(3)根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵的分解式F＝YRYT；(4)假设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量Λj，依次计算各构件所对应的柔度改变量△Fj＝YRΛjYT；(5)依次计算结构在所承担的恒荷载向量l作用下各构件所对应的变形能改变量△γj，即△γj＝lT△Fjl；(6)依次计算各构件所对应的重要性系数其中△γmax为所有△γj中的最大值；(7)把zi按从大到小排序，大于等于某个预先设定的阈值(如0.2)的构件确定为关键构件；(8)按传感器布置原则在关键构件上布置传感器，而其它非关键构件上不需要布置传感器。进一步的，作为优选：所述的初始结构有限元模型，可以由常用的有限元软件来建立获得，如Ansys和Matlab等软件，这些软件均可由市场购买得到；所述的初始结构刚度矩阵K，由各单元的刚度矩阵Kj求和得到：其中N是结构有限元模型中的单元总数。所述的对刚度矩阵K进行分解，其过程为：首先对每个单元的刚度矩阵Kj进行特征值分解，即：其中是Kj的特征向量，是Kj的非零特征值，又称为结构的刚度参数，m是非零特征值的个数。方程(2)代入(1)并重新组合可以得到：K＝XGXT(3a)所述的初始结构柔度矩阵的分解式F＝YRYT，其中矩阵Y和R分别为：Y＝(X+)T(4)其中X+表示矩阵X的广义逆矩阵。所述的各构件出现严重程度相同的损伤量Λj，其中对角矩阵Λi中大部分对角元素都为0，对应第i根杆件的那m个对角元素为1，即所述的恒荷载向量l，为已知量，它可以由结构实际承担的恒荷载得到，即把结构中各节点上作用的外荷载按序写成一列向量，外荷载为分布荷载时则按照静力等效的原则转化成节点集中力。所述的各杆件重要性系数，为该杆件的变形能改变量△γj与最大的变形能改变量△γmax的比值，△γmax＝max(△γ1,△γ2,L,△γN)，显然最重要的构件其重要性系数为1。所述的重要性系数阈值可以根据设计需求具体确定，一般可以取为0.2，重要性系数大于等于该阈值的即可判定为关键构件。所述的传感器布置原则为：每个关键构件至少有一个节点上必须要布置传感器，各个关键构件如果有公共节点，则公共节点优先布置传感器。本申请提供的恒载作用下结构健康监测传感器优化布置方法，建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K，根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵，设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量，计算各构件所对应的柔度改变量；依次计算结构在所承担的恒荷载向量l以及该向量作用下各构件所对应的变形能改变量，依次计算各构件所对应的重要性系数并排序，确定关键构件；在关键构件上布置传感器。将本申请应用于结构健康监测，具有计算过程简洁、用量少、操作便捷等优点。为了进一步解释本专利技术的技术方案，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细描述。附图说明图1为钢桁架结构在第一种恒荷载方式作用下的示意图；图2为钢桁架结构在第二种恒荷载方式作用下的示意图。具体实施方式以下以同样的钢桁架结构作为对象进行技术方案的具体阐述，所选用钢桁架结构的基本物理参数为：弹性模量E＝200GPa，密度ρ＝7.8×103kg/m3，杆件横截面面积A＝7.85×10-5m。外界作用力主要分为水平方向力和竖直方向力两种，具体到钢桁架结构上，该作用力又可以分为单方向力和两方向力，以下对单方向力和两方向力两种作用方式，分别对相同钢桁架进行横载荷作用分析，参见图1和图2，对横载荷作用下，其上传感器的布置方案进行分析，具体包括以下步骤：(1)建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K；(2)对刚度矩阵K进行分解，把它分解为自由度关系矩阵X和刚度参数对角矩阵G的乘积形式，即K＝XGXT；(3)根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵的分解式F＝YRYT；(4)假设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量Λj，依次计算各构件所对应的柔度改变量△Fj＝YRΛjYT；(5)依次计算结构的恒荷载向量l，并计算该向量作用下各构件所对应的变形能改变量△γj，即△γj＝lT△Fjl；(6)依次计算各构件所对应的重要性系数其中△γmax为所有△γj中的最大值；(7)把zi按从大到小排序，大于等于某个预先设定的阈值(如0.2)的构件确定为关键构件；(8)按传感器布置原则在关键构件上布置传感器，而其它非关键构件上不需要布置传感器。两种恒荷载作用方式下，采用本申请上述方法，分别计算各杆件的重要性系数，如表1和表2所示。表1第一种荷载作用方式下的重要性系数对照表表2第二种荷载作用方式下的重要性系数对照表由表1可见，对于第一种恒荷载作用方式，编号为30的杆件最重要(重要性系数为1)，重要性系数大于0.2的杆件编号依次为：30、27、25、22和20，结构健康监测中对这5根杆件必须布置传感器；根据图1中各杆件所对应的节点编号，并根据传感器布置原则：每个关键构件至少有一个节点上必须要布置传感器，各个关键构件如果有公共节点，则公共节点优先布置传感器；最后得到的传感器布置方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.结构健康监测传感器的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K；(2)将刚度矩阵K分解为自由度关系矩阵X和刚度参数对角矩阵G的乘积形式，即K＝XGX

【技术特征摘要】
1.结构健康监测传感器的布置方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K；(2)将刚度矩阵K分解为自由度关系矩阵X和刚度参数对角矩阵G的乘积形式，即K＝XGXT；(3)根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵的分解式F＝YRYT；(4)假设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量Λj，依次计算各构件所对应的柔度改变量△Fj＝YRΛjYT；(5)依次计算结构在所承担的恒荷载向量l作用下各构件所对应的变形能改变量△γj，即△γj＝lT△Fjl；(6)依次计算各构件所对应的重要性系数其中△γmax为所有△γj中的最大值；(7)把zi按从大到小排序，大于等于某个预先设定的阈值的构件确定为关键构件；(8)按传感器布置原则在关键构件上布置传感器，而其它非关键构件上不布置传感器。2.如权利要求1所述的结构健康监测传感器的布置方法，其特征在于：所述的初始结构刚度矩阵K，由各单元的刚度矩阵Kj求和得到，即其中N是结构有限元模型中的单元总数。3.如权利要求1所述的结构健康监测传感器的布置方法，其特征在于，步骤(2)中，刚度矩阵K的分解过程为：首先，对每个单元的刚度矩阵Kj进行特征值分解，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秋伟，王伟，李娜，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33