一种开式行骨架结构变形场实时测量方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种开式行骨架结构变形场实时测量方法、装置及系统，包括：对结构施加模拟负载，采集数据，形成预标定数据集；获取被测结构的实时应力应变数据；对一定数量测量点的位移或坐标进行测量；将实时获取的一组应力应变数据与预标定数据集各组数据进行相似度计算；进行相似度排序，从预标定数据集中选取K组预标定数据；根据相似度数据，计算相似度系数矩阵；根据相似度系数矩阵和所选取的预标定数据，对当前受力状态下的监测点变形位移数据进行计算；采用差值方法对整个阵面变形场进行差值计算，拟合出整个阵面上任意点的变形量，得到实时变形场拟合数据。本发明专利技术方法计算效率高，速度快、变形场测量时间延迟低，且精度较高。高。高。

【技术实现步骤摘要】
一种开式行骨架结构变形场实时测量方法、装置及系统


[0001]本专利技术涉及大尺寸结构非线性测量领域，具体涉及一种开式行骨架结构变形场实时测量方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]开式行骨架结构为一种非板式且非闭合二维平面结构，其主体由行骨架式型材通过焊接到主背架上连接而成，各行骨架末端非闭合连接，整体为开式结构，如图1所示。相邻两个行骨架所受的负载非直接传递，区别于平面板状结构，其应力传递存在非连续性，单根行骨架受力对整体平面结构中其他结构的变形影响为非线性作用，相邻两根行骨架之间不存在应力传递关系，仅通过主背架结构进行变形位移场叠加。
[0003]并且，开式行骨架平面结构通常工作于野外环境，光照、沙尘等环境恶劣，传统基于视觉测量的方式难以实现高精度与高速率变形监测；因阵面尺寸巨大，基于光纤光栅的变形场监测与重构方法信号解调与变形场重构计算量巨大，难以实现实时高帧率变形场测量；基于视觉等非接触测量方式，其面临数据标定困难、运算量大、测量精度难以满足要求等问题。
[0004]综上，此种开式行骨架结构应力应变场测量难以通过传统的材料力学计算方式和有限元方式进行准确、快速地计算。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是传统的材料力学计算方式和有限元方式很难实现开式行骨架结构应力应变场的准确、快速测量问题。本专利技术目的在于提供一种开式行骨架结构变形场实时测量方法、装置及系统，本专利技术采用新的变形场测量方式来快速获得被测开式行骨架平面结构在各种负载状态下的变形场，且测量准确，以满足实际应用场景需求。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：第一方面，本专利技术提供了一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，该方法适用于开式行骨架结构，所述开式行骨架结构包括主背架和固定到主背架上的行骨架，各行骨架末端非闭合连接；该方法包括：针对结构实际使用工况下的典型受力状态，对开式行骨架结构施加模拟负载，选取一定数量的监测点，采集各对应负载状态下的应力应变数据和结构变形场数据，形成预标定数据集；获取被测开式行骨架结构的一组实时应力应变数据；将所述实时应力应变数据与所述预标定数据集中各组数据进行相似度计算，得到相似度矩阵；对所述相似度矩阵中的相似度数据排序，根据相似度数据大小，从所述预标定数据集中选取K个与该组实时应力应变数据距离最近的预标定样本，作为K组预标定数据；根据所述相似度矩阵中的相似度数据，计算相似度系数矩阵；根据所述相似度系数矩阵和所述K组预标定数据，计算当前受力状态下的监测点
变形位移数据；根据所述监测点变形位移数据，采用差值方法对整个阵面变形场进行差值计算，拟合出整个阵面上任意点的变形量，得到实时变形场拟合数据。
[0007]其中，所述差值方法是根据开式行骨架结构的行骨架和主背架的受力特点，确定差值方法的方程形式。
[0008]工作原理是：当被测开式行骨架结构处于典型工作状态时，其阵面与水平面倾角保持不变，整体阵面所受重力状态保持不变，当被测对象的机械装配状态不改变时，阵面在重力作用下的阵面变形场可通过装配后实际测量或者通过有限元方法获取。在正常服役状态时，被测结构在外部风载、振动等作用下，会引起的阵面实时变形，当阵面产生动态变形时，可通过应力应变传感器实时获取被测二维平面结构的各部分的应变信息，且阵面变形量与阵面结构的应力状态一一对应。因此，本专利技术设计了基于应力应变测量阵列和K近邻算法的大型开式行骨架二维平面结构变形场测量方法，在被测对象正常服役之前，在实验室状态获取足够量的应力
‑
变形数据，作为被测结构在各种负载作用下的应力
‑
变形数据库，即预标定数据集；基于此数据库，作为天线变形场实时测量时的变形基向量，采用K近邻算法计算实时采样所得的应力应变数据与基向量中应力应变数据之间的相似度，选取K个最相似样本，依据权重计算出对应的变形场数据，最终实现对被测结构的变形场进行实时测量的目的。
[0009]与现有技术中基于变形重构和光纤解调方法的二维平面结构变形场测量方法相比，本专利技术所提的基于K近邻算法的开式行骨架结构变形场测量方法无需复杂的计算和阵面变形场建模，不严格要求被测平面结构满足典型的应力
‑
应变变形关系。只需要事先获取一定量的应变
‑
变形场数据作为测量基准数据集，在获取实时的应变场数据后，仅需计算当前应变场数据与基准数据集中各组预标定数值之间的相似度关系，依据相似度关系进行变形场拟合即可。本专利技术的测量方法计算效率高，计算快、变形场测量时间延迟低，且精度较高。此外，在测量硬件设备方面，实际部署时仅需在被测天线阵面上布置一定量的应变传感器，将所获取的应力数据输入到计算机中即可实现算法计算，本专利技术方法在实际实施时对硬件资源要求低，算法实用性和适用性高。
[0010]进一步地，所述的形成预标定数据集之后，还包括对预标定数据集归一化处理，并保存各组应变
‑
变形量数据的归一化系数矩阵。
[0011]进一步地，所述的获取被测开式行骨架结构的一组实时应力应变数据之后，还包括对所述实时应力应变数据进行归一化处理，保存归一化系数。
[0012]进一步地，所述的对预标定数据集归一化处理，采用的数据归一化方法为：进一步地，所述的对预标定数据集归一化处理，采用的数据归一化方法为：其中，为各组预标定数据样本归一化后的应力应变数据；为各组预标定数据样本归一化后对应的变形场数据；M 为应变数据测点数；N 为变形位移场测点数；X
i,j
为
各组预标定数据样本原始应力应变数值；Y
i,j
为各组预标定数据样本原始变形场数值；各组预标定数据的归一化系数为：其中，为预标定数据集中第 i 个样本的归一化系数；X
i,j
为各组预标定数据样本原始应力应变数值；P 为预标定数据集中样本个数；M 为预标定数据集中应变测量点数。
[0013]进一步地，所述的采集各对应负载状态下的应力应变数据和结构变形场数据，具体包括：采用激光测距仪或者三坐标测量仪等设备，对监测点的结构变形场数据进行采集；采用在被测开式行骨架结构的行骨架上布置应力应变传感器阵列的方式，采集被测开式行骨架结构的应力应变数据。其中，应力应变传感器阵列可以采用应变片组成的阵列。
[0014]进一步地，所述预标定数据集的形成步骤为：在被测结构除受重力作用外无施加任何外部负载和干扰状态下进行数据采集，采集到的应力应变数据和结构变形场数据记为零点数据；根据所述零点数据，被测结构在服役状态下的可能受力状态下，对阵面施加不同大小的模拟载荷，采集各受力状态下被测开式行骨架结构对应的应力应变数据X
i,j
和对应的结构变形场数据Y
i,k
，其中，i=1,2,
…
,n; j=1,2,
…
,m; k=1,2,
…
,p；n为阵面行骨架数目，m为每根行骨架上应变片数目，p为每根行骨架上变形位移测点数目；将应力应变数据X<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，该方法包括：针对结构实际使用工况下的典型受力状态，对开式行骨架结构施加模拟负载，选取监测点，采集各对应负载状态下的应力应变数据和结构变形场数据，形成预标定数据集；获取被测开式行骨架结构的一组实时应力应变数据；将所述实时应力应变数据与所述预标定数据集中各组数据进行相似度计算，得到相似度矩阵；对所述相似度矩阵中的相似度数据排序，根据相似度数据大小，从所述预标定数据集中选取K个与该组实时应力应变数据距离最近的预标定样本，作为K组预标定数据；根据所述相似度矩阵中的相似度数据，计算相似度系数矩阵；根据所述相似度系数矩阵和所述K组预标定数据，计算当前受力状态下的监测点变形位移数据；根据所述监测点变形位移数据，采用差值方法对整个阵面变形场进行差值计算，拟合出整个阵面上任意点的变形量，得到实时变形场拟合数据。2.根据权利要求1所述的一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，所述的形成预标定数据集之后，还包括对预标定数据集归一化处理，并保存各组应变
‑
变形量数据的归一化系数矩阵；所述的获取被测开式行骨架结构的一组实时应力应变数据之后，还包括对所述实时应力应变数据进行归一化处理，保存归一化系数。3.根据权利要求2所述的一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，所述的对预标定数据集归一化处理，采用的数据归一化方法为：的对预标定数据集归一化处理，采用的数据归一化方法为：其中，为各组预标定数据样本归一化后的应力应变数据；为各组预标定数据样本归一化后对应的变形场数据；、为预标定样本数据中原始应力应变数据；、为预标定样本数据中各点变形场数据；N 为变形位移场测点数；i 为各组预标定数据集中各组数据和标签的索引，j 为各组预标定数据中应变片数值的索引；k 为各组预标定数据中标签数据的变形量索引；各组预标定数据的归一化系数为：其中，为预标定数据集中第 i 个样本的归一化系数；为预标定样本数据中原始应力应变数据；P 为预标定数据集中样本个数；M 为应变数据测点数。4.根据权利要求1所述的一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，所述
的采集各对应负载状态下的应力应变数据和结构变形场数据，具体包括：采用激光测距仪或者三坐标测量仪设备，对监测点的结构变形场数据进行采集；采用在被测开式行骨架结构的行骨架上布置应力应变传感器阵列的方式，采集被测开式行骨架结构的应力应变数据。5.根据权利要求1所述的一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，所述预标定数据集的形成步骤为：在被测结构除受重力作用外无施加任何外部负载和干扰状态下进行数据采集，采集到的应力应变数据和结构变形场数据记为零点数据；根据所述零点数据，被测结构在服役状态下的可能受力状态下，对阵面施加不同大小的模拟载荷，采集各受力状态下被测开式行骨架结构对应的应力应变数据 X
i,j 和对应的结构变形场数据 Y
i,k ，其中，i=1,2,
…
,P; j=1,2,
…
,M; k=1,2,
…
,N；将应力应变数据 X
i,j 作为预标定数据集的样本数据，并将结构变形场数据Y
i,k
作为预标定数据集的标签数据。6.根据权利要求1所述的一种开式行骨架结构变形场实时测量方法，其特征在于，所述相似度矩阵D的表达式为：相似度矩阵D的表达式为：式中，d
i 表示当前一组应变数据与预标定数据集中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，吉孟宇，彭高亮，刘世伟，张建隆，赵祥杰，吴林潮，程枫，李思珏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：