面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法技术

本发明专利技术公开一种面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，属于工程结构变形监测领域；包括：根据有限元仿真应变分布规律，在极值位置和梯度变化方向布置测量点，得到应变传感器初始布局；根据实测应变场的分布规律，采用应变梯度、幅值、对称性和应变关系消冗原则减少传感器布置数量；将应变测量点调整至逆有限元算法中划分单元的中心区域。本发明专利技术解决了大型变形监测所需应变传感器数量巨大导致的监测成本高、重量大的问题，在变形监测领域具有广泛应用前景。领域具有广泛应用前景。领域具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法


[0001]本专利技术属于工程结构变形监测领域，具体涉及一种面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法。

技术介绍

[0002]大型航空航天结构，如在轨大型可展开天线，在运行过程中会受到急剧的高低温变化和非均匀的温度载荷。这些复杂热载荷会使天线结构会产生难以预测的热变形，从而严重影响航天器结构的正常工作。变形监测是结构健康监测领域中非常重要的一部分，能够实时感知飞行器运行形态，为后续结构的状态评估和分析提供关键技术。对大型天线结构进行结构变形和振动状况的实时监测和有效控制，是航空航天
一个至关重要的问题。
[0003]在基于应变信息的结构变形监测方法中，光纤布拉格光栅传感器具有重量轻、体积小、抗干扰能力强、电磁绝缘性能好等特点，适用于密布电磁敏感元件的在轨天线结构的变形监测。传感器获取实时应变，并结合先进的信号处理和变形重构算法，可实现航天结构在线实时感知。在已发展的基于应变信息的变形重构算法中，逆向有限元算法具有不需要结构材料和载荷特性，且重构精度高等优势获得广泛关注。
[0004]然而，实测应变输入是逆向有限元算法实现高精度实时重构的关键因素之一，大型结构变形监测需在结构上布置大量应变传感器，受到监测成本、传感器重量等工程条件的限制，难以满足航天结构变形监测的轻量化要求。

技术实现思路

[0005]针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，以解决现有技术中由于变形监测对象尺寸大、应变分布复杂带来的应变传感器数量巨大、监测成本高、不满足航空航天变形监测轻量化要求的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的一种面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，步骤如下：
[0008]1)通过有限元仿真软件建立大型结构的有限元模型，在有限元模型中提取待监测结构表面0
°
、45
°
和90
°
三个方向有限元仿真应变场，分别根据三个方向有限元应变场的分布特点，在极值位置和梯度变化方向布置测量点，得到0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变传感器初始布局；
[0009]2)根据步骤1)中0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变传感器初始布局在大型结构上布置传感器，在大型结构热变形实验中实时测量应变，并采用拟合函数分别拟合结构0
°
、45
°
和90
°
三个方向实测应变场；
[0010]3)对0
°
和90
°
两个方向实测应变场进行分析，依次根据梯度消冗原则删除梯度变
化小的测量点，根据幅值消冗原则删除实测值小于50微应变的测量点，根据对称性消冗原则删除对称位置测量值偏差小于50微应变的测量点，从而获得0
°
和90
°
两个方向优化后的传感器布局；
[0011]4)根据线性关系消冗原则构建实测0
°
、90
°
两个方向应变与45
°
方向应变的映射关系，从而删除部分45
°
方向应变测量点，从而获得优化后的实测应变传感器布局；
[0012]5)将应变测量点调整至逆向单元的中心区域，并分析变形重构误差分布，对步骤3)和步骤4)中优化后的传感器布局进行进一步优化。
[0013]进一步地，所述步骤1)中应变传感器初始布局具体包括：
[0014]11)将大型结构的材料信息、载荷信息输入到有限元仿真软件，建立大型结构有限元计算模型，提取待监测表面有限元计算应变，分别绘制0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变场的梯度分布图，并标注应变最值位置；
[0015]12)分别对步骤11)中三个方向应变场，在应变幅极值和幅值大的位置布置应变测量点，沿着应变梯度变化方向布置应变测量点；
[0016]13)在大型结构待检测表面边缘附近布置应变测量点，以提高拟合应变场的精度，得到大型结构待监测表面三个方向线应变传感器初始布局。
[0017]进一步地，所述步骤3)中梯度消冗原则具体包括：
[0018]根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变梯度的分析，保留极大值的应变测量点，设置相邻应变测量点间的应变梯度间隔阈值，将相邻应变测量点的应变变化小于间隔阈值的冗余应变测量点删除，再调整置零阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。
[0019]进一步地，所述步骤3)中幅值消冗原则具体包括：
[0020]根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变幅值的分析，设置置零阈值，删除应变幅值小于置零阈值的应变测量点并将该应变测量点的应变值设置为零，再调整置零阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。
[0021]进一步地，所述步骤3)中对称性消冗原则具体包括：
[0022]根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变对称性的分析，设置对称误差阈值，删除对称位置应变误差小于对称误差阈值的应变测量点，即保留单侧应变测量点，另一侧应变测量点的应变值根据对称性间接得到，再调整对称误差阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。
[0023]进一步地，所述步骤4)中线性关系消冗原则具体包括：
[0024]41)分别拟合M个时刻0
°
和90
°
方向应变场，并提取M个时刻45
°
方向的应变值，构造M个时刻45
°
方向线应变与0
°
方向应变、90
°
方向应变的映射关系，通过二元线性函数构造实测0
°
、90
°
应变与45
°
应变关系，第i个应变测量点的应变关系表示为：
[0025]ε
45,i
＝p
1,i
ε
0,i
+p
2,i
ε
90,i
+p
3,i
[0026]式中，ε
45,i
、ε
0,i
和ε
90,i
为第i个测量点的三个方向应变值，p
1,i
、p
2,i
和p
3,i
为第i个测量点的应变关系系数；
[0027]42)分别拟合优化前和优化后45
°
方向线应变场并计算二者的最大偏差，调整保留的45
°
方向应变测量点个数，直至优化前后拟合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，步骤如下：1)通过有限元仿真软件建立大型结构的有限元模型，在有限元模型中提取待监测结构表面0
°
、45
°
和90
°
三个方向有限元仿真应变场，分别根据三个方向有限元应变场的分布特点，在极值位置和梯度变化方向布置测量点，得到0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变传感器初始布局；2)根据步骤1)中0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变传感器初始布局在大型结构上布置传感器，在大型结构热变形实验中实时测量应变，并采用拟合函数分别拟合结构0
°
、45
°
和90
°
三个方向实测应变场；3)对0
°
和90
°
两个方向实测应变场进行分析，依次根据梯度消冗原则删除梯度变化小的测量点，根据幅值消冗原则删除实测值小于50微应变的测量点，根据对称性消冗原则删除对称位置测量值偏差小于50微应变的测量点，从而获得0
°
和90
°
两个方向优化后的传感器布局；4)根据线性关系消冗原则构建实测0
°
、90
°
两个方向应变与45
°
方向应变的映射关系，从而删除部分45
°
方向应变测量点，从而获得优化后的实测应变传感器布局；5)将应变测量点调整至逆向单元的中心区域，并分析变形重构误差分布，对步骤3)和步骤4)中优化后的传感器布局进行进一步优化。2.根据权利要求1所述的面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，所述步骤1)中应变传感器初始布局具体包括：11)将大型结构的材料信息、载荷信息输入到有限元仿真软件，建立大型结构有限元计算模型，提取待监测表面有限元计算应变，分别绘制0
°
、45
°
和90
°
三个方向应变场的梯度分布图，并标注应变最值位置；12)分别对步骤11)中三个方向应变场，在应变幅极值和幅值大的位置布置应变测量点，沿着应变梯度变化方向布置应变测量点；13)在大型结构待检测表面边缘附近布置应变测量点，以提高拟合应变场的精度，得到大型结构待监测表面三个方向线应变传感器初始布局。3.根据权利要求1所述的面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，所述步骤3)中梯度消冗原则具体包括：根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变梯度的分析，保留极大值的应变测量点，设置相邻应变测量点间的应变梯度间隔阈值，将相邻应变测量点的应变变化小于间隔阈值的冗余应变测量点删除，再调整置零阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。4.根据权利要求1所述的面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，所述步骤3)中幅值消冗原则具体包括：根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变幅值的分析，设置置零阈值，删除应变幅值小于置零阈值的应变测量点并将该应变测量点的应变值设置为零，再调整置零阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。5.根据权利要求1所述的面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，所述步骤3)中对称性消冗原则具体包括：根据对0
°
和90
°
方向表面实测应变对称性的分析，设置对称误差阈值，删除对称位置应
变误差小于对称误差阈值的应变测量点，即保留单侧应变测量点，另一侧应变测量点的应变值根据对称性间接得到，再调整对称误差阈值大小，直至优化前后拟合应变场的最大偏差小于误差限值。6.根据权利要求1所述的面向大型结构变形监测的多步消冗传感器布局优化方法，其特征在于，所述步骤4)中线性关系消冗原则具体包括：41)分别拟合M个时刻0
°
和90
°
方向应变场，并提取M个时刻45
°
方向的应变值，构造M个时刻45
°

【专利技术属性】
技术研发人员：黄天翔，袁慎芳，董田钰，操卫忠，段文鹏，孙为民，汪奕，黄欣婷，芮棽，陈健，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：