一种逆有限元地下管道等效形变监测方法技术

本发明专利技术公开了一种逆有限元地下管道等效形变监测方法，一种逆有限元地下管道等效形变监测方法，具体包括以下步骤：步骤S1，对管道进行单元划分，选取监测点，进行传感器的布设，每一个单元内布设应变传感器；步骤S2，使用逆有限元算法对测量得到的管道表面轴向应力进行计算，得到管道各个位置的形变量；步骤S3，误差分析和精度评价：剔除监测过程中产生的粗差，分析影响管道监测精度的因素。本发明专利技术的逆有限元地下管道等效形变监测方法，操作简单，易于实现，解决了在传统管道监测中测量困难的问题，增加了监测工作的便利性，降低时间成本，降低了监测外业数据采集的工作强度。低了监测外业数据采集的工作强度。低了监测外业数据采集的工作强度。

【技术实现步骤摘要】
一种逆有限元地下管道等效形变监测方法


[0001]本专利技术涉及工程监测与环境保护
，具体涉及逆有限元地下管道等效形变监测方法。

技术介绍

[0002]排水管道工程是最常见一种管网工程，为无压管道工程，靠水的自身重力排出，设计的流水坡度是施工过程中控制的质量要点，决定着水是否能顺利排出，施工过程中管道管材是否发生变形弯曲直接影响流水坡度是否发生改变，所以对施工过程中以及施工后的管道变形检测是一项重要工作。
[0003]地下排水管道多以HDPE材质为主，受地质条件、施工质量、路面交通状况的影响容易出现管道起伏、变形，严重的会造成管道塌陷、断裂等问题，从而使排水管道丧失正常的功能。
[0004]形变体受到外界荷载后，产生的形状、大小、位置的变化，结构可能丧失稳定，造成断裂或坍塌，基于此，及时获取监测体变形数值十分必要。
[0005]但是在实际工程中，往往有测量目标受到遮挡或者埋于地下，使用一般的测量方法很难测取变形数值。地下管道的监测通常需要挖掘管道将管体暴露在外后测量，或通过管道井测量，对监测工作造成很多不便。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题就在于：本专利技术提供一种逆有限元地下管道等效形变监测方法，操作简单，易于实现，解决了在传统管道监测中测量困难的问题，增加了监测工作的便利性，降低时间成本，降低了监测外业数据采集的工作强度。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0008]一种逆有限元地下管道等效形变监测方法，具体包括以下步骤：
[0009]步骤S1，对管道进行单元划分，选取监测点，进行传感器的布设，每一个单元内布设应变传感器；
[0010]步骤S2，使用逆有限元算法对测量得到的管道表面轴向应力进行计算，得到管道各个位置的形变量；
[0011]步骤S3，误差分析和精度评价：剔除监测过程中产生的粗差，分析影响管道监测精度的因素。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进为：
[0013]优选地，所述步骤S1中，所述的管道单元划分、监测点选取和传感器布设具体包括：
[0014]S1
‑
1，将管网中各个管道划分为多个单元；
[0015]S1
‑
2，在每一个单元内设置监测点，监测点为两个一组，分别布设于管道的顶端和底端，一组监测点的连线竖直向下，且垂直于中性轴；
[0016]S1
‑
3，在监测点的位置安装应变传感器。
[0017]优选地，所述步骤S2中，所述的逆有限元算法计算管道位移量包括：
[0018]S2
‑
1，获取逆有限元算法所需数据信息，用于数学模型的计算；
[0019]S2
‑
2，在单个单元上建立数学模型，确定轴向应力和位移之间的关系；
[0020]S2
‑
3，每个小单元的关系确定后将所有的小单元纳入到统一的坐标系下，通过整体的数学模型，计算管网上任意位置的形变。
[0021]优选地，所述步骤S3中，所述的误差分析和精度评价包括：
[0022]S3
‑
1，探测数据获取过程中产生的粗差，使用移动均值法对异常数据探测并剔除异常数据；
[0023]S3
‑
2，边界条件是影响逆有限元算法精度的主要因素。
[0024]优选地，所述S3
‑
1中，所述移动均值法的计算原理为：设置一个包含基数个测量值的窗口，对该窗口内的数据计算其均值和方差，当这组数据中间的数满足以下条件：
[0025]x≥E+3D或x≤E
‑
3D
[0026]则说明是异常值，将其剔除，反之不做处理；
[0027]式中，x为窗口内处于中间位置的数，E为所有数的平均值，D为标准差。
[0028]优选地，所述S3
‑
1中，若中间的值出现异常被剔除，数据空缺位置被剩余数的平均值代替；在完成一个窗口的计算后，窗口向右移动一个数，重复上述操作，直至窗口遍历整个数组。
[0029]本专利技术提供的逆有限元地下管道等效形变监测方法，与现有技术相比，有以下优点：
[0030]本专利技术的逆有限元地下管道等效形变监测方法，基于逆有限元计算方法，使用传感器测量管道表面的应力应变，通过等效数学模型的计算，可以实现对整个地下管网任意位置的形变值的获取。逆有限元算法可以在不知道管道材质、具体外力的情况下，通过管道的几何参数、节点边界条件，以及管道表面的应变数据，计算出管道各个位置的形变值。本专利技术所述管道监测的方法，操作简单，易于实现，解决了在传统管道监测中测量困难的问题，增加了监测工作的便利性，降低时间成本，降低了监测外业数据采集的工作强度。
附图说明
[0031]图1是本专利技术应变传感器管道点位布设位置剖面图。
[0032]图2是本专利技术坐标系与节点自由度的关系图。
[0033]图3是本专利技术管道监测实施流程图。
具体实施方式
[0034]以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0035]图1至图3示出了本专利技术逆有限元地下管道等效形变监测方法的一种实施方式，包括以下步骤：
[0036]步骤S1，对管道进行单元划分，选取监测点，然后进行传感器的布设：将管道划分为合适的单元，每一个单元内布设应变传感器。具体方式为：
[0037]S1
‑
1，管道上单元的划分
[0038]根据数学模型计算原理，首先对构件进行单元划分，划分的单元越多，计算得到的精度越准确，但是在划分精细程度高于一个阈值后，继续增加单元数量，计算精度不会有较明显的提升，会造成成本上升而精度提升甚微。因此，在实际运用中，需要根据实际的情况来确定单元划分的数量。
[0039]S1
‑
2，监测点的选择
[0040]对于地下管道的形变，由于地下空间开挖、土壤冻融等因素造成的地下土体沉降或抬升会产生纵向形变，因此垂直方向形变为主要监测点。监测点的选取应满足监测需求，一个单元内，要布设n组监测点，布设位置为一个单元n+1等分点上，一组为两个监测点，分别设置在管道顶端和底端，保证两监测点距离为直径，且两点连线为竖直方向，垂直于中性轴，如有偏差则会影响监测精度。与单元划分相类似，监测点数量越多会有更高的精度，但是精度越高，会造成高成本，且达到一定状态后精度提升的量较小，经过多次试验发现在一个单元上设置两个监测点能满足一般监测的需求。例如，如图1所示监测点位布设示意图中展示了单元划分和监测点的布设，管道长2000mm，分5个单元，一个单元设置2组四个监测点。
[0041]S1
‑
3，传感器的安装
[0042]测量使用的传感器采用常见的应变测量传感器，如光纤光栅应变传感器和电阻应变片等，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种逆有限元地下管道等效形变监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1，对管道进行单元划分，选取监测点，进行传感器的布设，每一个单元内布设应变传感器；步骤S2，使用逆有限元算法对测量得到的管道表面轴向应力进行计算，得到管道各个位置的形变量；步骤S3，误差分析和精度评价：剔除监测过程中产生的粗差，分析影响管道监测精度的因素。2.根据权利要求1所述的逆有限元地下管道等效形变监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述的管道单元划分、监测点选取和传感器布设具体包括：S1
‑
1，将管网中各个管道划分为多个单元；S1
‑
2，在每一个单元内设置监测点，监测点为两个一组，分别布设于管道的顶端和底端，一组监测点的连线竖直向下，且垂直于中性轴；S1
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3，在监测点的位置安装应变传感器。3.根据权利要求1所述的逆有限元地下管道等效形变监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述的逆有限元算法计算管道位移量包括：S2
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1，获取逆有限元算法所需数据信息，用于数学模型的计算；S2
‑
2，在单个单元上建立数学模型，确定轴向应力和位移之间的关系；S2
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【专利技术属性】
技术研发人员：龙四春，张宇轩，赖咸根，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：