一种改进的静力传感器的优化布设方法
【专利摘要】本发明公开了一种改进的静力传感器的优化布设方法，包括：S1.建立全桥的实体有限元模型，并对其修正；S2.用修正后的模型建立n种损伤情况下有限元损伤模型，并提取各损伤情况下潜在位置处的应变预测值；S3，根据传感器测量精度，将应力预测值划分为若干区间，相应的应力预测值处于同一区间的损伤模型即为不可识别损伤模型；将包含模型的区间设为集合bik，集合bik中的元素为不可识别的损伤状态且多个bik组成集合Bi；S4，若各传感器的潜在位置个数为m，传感器的个数为s，计算Y＝{B1∩B2...∩BS}；子集中元素数量最少的数目即最少的不可识别模型的个数Ymin，Ymin对应的传感器的布设即最优的传感器布设。本发明可实现用最少的传感器最大程度的区分桥梁结构的各种可能损伤。
【专利说明】一种改进的静力传感器的优化布设方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种改进的静力传感器的优化布设方法，属于桥梁领域。
【背景技术】
[0002]桥梁工程中可采用的静力传感器种类主要有测试挠度的位移计及测试应变、应力的应变计等。由于经济和结构运行状态等方面的原因，在结构上安置过多的传感器是不可能的，因此需要对传感器的位置进行优化布设，使其能够应用最少的传感器最大程度的区分结构的各种可能的损伤情况。
[0003]传感器的优化布设是桥梁结构健康监测过程中的一个重要问题，以往的监测中，为了尽可能多的获取桥梁不同位置的信息采取的方法一般是在桥梁内部埋入较多的传感器，然而这种做法会带来以下不良后果:一、增加了监测系统的成本；二、过多的传感器本身也会对桥梁的结构造成不利的影响。因此应尽量做到使用较少的传感器获得尽可能多的结构健康信息。
[0004]《华北电力大学(河北)》2008公开了一种基于多源信息融合的传感器故障诊断方法，其采用传感器对故障进行诊断，但是该方法并非是针对桥梁的故障诊断，且其也并未涉及传感器的优化布设算法；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),该文采用自主智能传感器节点对预应力混凝土桥梁健康监测(SHM)进行了分析，设计了基于加速和阻抗的智能传感器节点，建立了专门的操作系统，使用智能传感器节点使用全局和局部混合的方法对其进行了监控监测，但是该文也并未涉及传感器的优化布设；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),该文提出了一个连续的实时结构监控监测(SHM)和损伤监测系统，采用小波包分解(WPD)对所造成的桥梁损伤建立了敏感指标(DSI)，采用基准模型修正结构仪表和加速度传感器用于监测系统的试验，该文采用了修正结构仪表和加速度传感器，用于损伤检测系统，并建立了敏感指标，但是其也并不涉及静力传感器的优化布设。因此还需要对用于桥梁健康监测的静力传感器的优化布设进行进一步研究。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种改进的静力传感器的优化布设方法，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是没有一种现成的桥梁静力传感器传感器的优化布设方法，实现应用最少的静力传感器最大程度的区分桥梁结构的各种可能的损伤情况的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:一种改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0007]S1.建立全桥的实体有限元模型，对该实体有限元模型进行修正；
[0008]S2.采用修正后的实体有限元模型模拟不同荷载情况下桥梁不同位置的受力情况，建立η种损伤情况下的有限元损伤模型，并提取各种损伤情况下各传感器潜在位置i处的应变预测值Pij,其中，i为传感器的潜在位置，j为损伤情况，I ^ j ^ η ；
[0009]S3，根据传感器的测量精度，将传感器潜在位置i处的应力预测值Pi划分为若干区间，相应的应力预测值处于同一区间的损伤模型即为不可识别损伤模型；将包含两个或两个以上的模型的区间设为集合bik，其中，k为不可识别损伤数，O≤k < j ;集合bik中的元素为各种不可识别的损伤状态且多个bik组成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}；
[0010]S4，若各传感器的潜在位置个数为m，传感器的个数为S，计算Y =IB1 n B2...n BJ ;子集中元素数量最少的数目即为最少的不可识别模型的个数Ymin，Ymin所对应的传感器的布设位置即为最优的传感器布设。
[0011]优选的，步骤SI中，所述的对该实体有限元模型进行修正包括:采用均匀设计法对该实体有限元模型进行一次修正。
[0012]具体的说，所述的采用均匀设计法对该实体有限元模型进行一次修正包括以下步骤:
[0013]XI,选取目标函数Q(X)和待修正的m个参数变量X ;
[0014]X2，将每个参数变量的取值划分为η个水平；所述水平的个数η根据工程要求的精度来确定；
[0015]Χ3，根据均匀设计表及其使用表选取参数水平组合进行试验；
[0016]Χ4，将每次试验得到的静力数据与实测静力数据带入目标函数和误差指标函数中即得每次试验的结果；
[0017]Χ5，比较各个试验结果，得目标函数与误差指标函数最小时的参数水平，基于此参数水平的有限元模型即一次修正后的基准有限元模型。
[0018]前述的步骤Xl所述的目标函数Q(X)具体为:
【权利要求】
1.一种改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于:包括以下步骤: S1.建立全桥的实体有限元模型，对该实体有限元模型进行修正； S2.采用修正后的实体有限元模型模拟不同荷载情况下桥梁不同位置的受力情况，并建立η种损伤情况下的有限元损伤模型；提取各种损伤情况下各传感器潜在位置i处的应变预测值Pij,其中，i为传感器的潜在位置，j为损伤情况，I ≤ j ≤η ； S3，根据传感器的测量精度，将传感器潜在位置i处的应力预测值Pi划分为若干区间，相应的应力预测值处于同一区间的损伤模型即为不可识别损伤模型；将包含两个或两个以上的模型的区间设为集合bik，其中，k为不可识别损伤数，O≤k< j ;集合bik中的元素为各种不可识别的损伤状态且多个bik组成集合Bi, Bi = Ibil U bi2...U bik}； S4，若各传感器的潜在位置个数为m，传感器的个数为S，计算Y = (B1 Π B2...H Bj ；子集中元素数量最少的数目即为最少的不可识别模型的个数Ymin，Yfflin所对应的传感器的布设位置即为最优的传感器布设。
2.根据权利要求1所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，步骤SI中，所述的对该实体有限元模型进行修正包括:采用均匀设计法对该实体有限元模型进行一次修正。
3.根据权利要求2所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，所述的采用均匀设计法对该实体有限元模型进行一次修正具体包括以下步骤: XI，选取目标函数Q(x)和待修正的m个参数变量X ; X2，将每个参数变量的取值划分为η个水平； Χ3，根据均匀设计表及其使用表选取参数水平组合进行试验； Χ4，将每次试验得到的静力数据与实测静力数据带入目标函数和误差指标函数中即得每次试验的结果； Χ5，比较各个试验结果，得目标函数与误差指标函数最小时的参数水平，基于此参数水平的有限元模型即一次修正后的基准有限元模型。
4.根据权利要求3所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，步骤Xl所述的目标函数Q(x)具体为:
其中，Q (X)为目标函数，^为权重系数，Si(X)为第i点的应变值，A为i个应变的平均值。
5.根据权利要求4所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，步骤X4所述的误差指标函数为: 单个测点数据的误差率:
所有测点数据的平均误差率:
式中，XpX1.分别为有限元模型计算得到的测点数据和现场实测得到的测点数据。
6.根据权利要求2所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，所述的均匀设计法的实验次数为参数变量个数的3~5倍。
7.根据权利要求2~6任一所述的改进的静力传感器的优化布设方法,其特征在于，所述的对该实体有限元模型进行修正还包括:利用均匀设计法选取试验点生成响应面，采用响应面法对该实体有限元模型进行二次修正。
8.根据权利要求7所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，所述的利用均匀设计法选取试验点生成响应面，采用响应面法对该有限元损伤模型进行二次修正具体包括以下步骤: a,通过均匀设计表获得桥梁随机参数变量X的ns个样本点，通过均匀设计试验即得响应面目标函数的样本点数值Y，Y = [y1,y2,..., yns] ； b，利用参数变量X和目标函数的样本点数值Y回归分析得待定因子的最小二乘估计值，进而获得响应面函数； c,对响应面函数进行优化,得响应面目标函数与误差指标函数最小时的参数变量取值，基于此参数变量的结构有限元模型即为桥梁二次修正后的有限元模型。
9.根据权利要求8所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，所述的参数变量X= [E，P，μ ]，其中，E为混凝土弹性模量，P为混凝土密度，μ为泊松比。
10.根据权利要求9所述的改进的静力传感器的优化布设方法，其特征在于，还包括:依据修正后的全桥的实体有限元模型，判断其获得的应力损失量或弹性模量损失量是否达到设定的预警值。
【文档编号】G06F17/50GK104133960SQ201410363654
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】吴朝霞, 王立夫, 赵玉倩, 邵元隆, 李俞成, 樊红 申请人:东北大学