專利名稱：支座廣義位移時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法
技術領域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為“索結構”。在有支座廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿X、Y、Z軸的線位移及支座繞Χ、Υ、Ζ軸的角位移；對應于支座廣義位移，支座廣義坐標指支座關于x、Y、z軸的坐標及支座關于Χ、Υ、Ζ軸的角坐標)時，本發明公開了一種遞進式方法、基于應變監測來識別索結構的支承系統(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為“索系統”，但實際上索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)中的受損索 (對桁架結構就是指受損的僅承受拉伸載荷的桿件)的方法，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
索系統通常是索結構的關鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結構的失效，基于結構健康監測技術來識別索結構的索系統中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的桿件)是一種極具潛力的方法。索系統的健康狀態發生變化后，會引起結構的可測量參數的變化，例如索結構的變形或應變會發生變化，實際上應變的變化包含了索系統的健康狀態信息，也就是說可以利用結構應變數據判斷結構的健康狀態，可以基于應變監測(本發明將被監測的應變稱為“被監測量”，后面提到“被監測量”就是指被監測的應變)來識別受損索， 被監測量除了受索系統健康狀態的影響外，還會受索結構支座廣義位移(常常會發生)的影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監測系統和方法解決了此問題。在有支座廣義位移時，為了能對索結構的索系統的健康狀態有可靠的監測和判斷，必須有一個能夠合理有效的建立索結構的變形或應變的變化同索系統中所有索的健康狀況間的關系的方法，基于該方法建立的健康監測系統可以給出更可信的索系統的健康評估。
發明內容
技術問題本發明的目的是在索結構支座有廣義位移時，針對索結構中索系統的健康監測問題，提供一種基于應變監測的、能夠合理有效地監測索結構中索系統的遞進式健康監測方法。技術方案本發明由兩大部分組成。分別是一、建立索系統健康監測系統所需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含參量)和實測索結構的應變(或變形)及實測索結構支座廣義位移的索系統遞進式健康狀態評估方法；二、健康監測系統的軟件和硬件部分。本發明的第一部分建立索系統健康監測系統所需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含參量)和實測索結構的應變(或變形)及實測索結構支座廣義位移的索系統遞進式健康狀態評估方法。可按如下步驟依次循環往復地、遞進式進行，以獲得更準確的索系統的健康狀態評估。第一步每一次循環開始時，首先需要建立或已建立本次循環開始時的索系統初始損傷向量(i=l，2，3，…)、建立索結構的初始力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型，在本發明中A。是不變的)、建立索結構的當前力學計算基準模型Α"。(例如有限元基準模型，在每一次循環中Α"。是不斷更新的)、建立索結構的力學計算基準模型Ai(例如有限元基準模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發明中字母 i僅表示循環次數，即第i次循環。設索系統中共有#根索，第i次循環開始時需要的索系統初始損傷向量記為 //(如式(1)所示)，用表示該次循環開始時索結構(用力學計算基準模型Ai表示)的索系統的健康狀態。
權利要求
1. 一種支座廣義位移時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法，其特征是該方法包括a.設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的被監測點，被監測點即表征結構應變信息的所有指定點，并給所有指定點編號；確定被監測點的被監測的應變方向，并給所有指定的被監測應變編號；“被監測應變編號”在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監測的應變數據”由上述所有被監測應變組成；將“結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”；被監測點的數量不得小于索的數量；所有被監測量的數量之和不得小于索的數量；c.利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始損傷向量 d1。；如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀態為無損傷狀態時，向量d1。的各元素數值取0 ；本步中Cl10的上標1表示第一次循環，關于循環次數的表示方法在步驟f中具體說明；d.在建立索系統初始損傷向量Cl10的同時，直接測量計算得到索結構的所有指定的被監測量，組成“被監測量的初始數值向量C1。” ；本步中C1。的上標1表示第一次循環，關于循環次數的表示方法在步驟f中具體說明；e.在建立索系統初始損傷向量d1。和被監測量的初始數值向量C1。的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據，實測得到索結構的初始幾何數據；f.建立索結構的初始力學計算基準模型A。，建立初始索結構支座廣義坐標向量U。，建立第一次循環開始時需要的索結構的力學計算基準模型A1 ；本步中A1的上標1表示第一次循環；依據索結構竣工之時的索結構的實測數據，該實測數據包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座廣義坐標數據、索結構模態數據等實測數據，索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據，依據設計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型A。；如果沒有索結構竣工之時的結構的實測數據，那么就在建立健康監測系統前對該索結構進行實測，同樣得到索結構的實測數據，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型A。；不論用何種方法獲得A。，基于A。計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數據，其間的差異不得大于5% ；對應于A。的索結構支座廣義坐標數據組成初始索結構支座廣義坐標向量U0 ；A。 和U0是不變的，只在第一次循環開始時建立；第i次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為Ai,其中i表示循環次數；本發明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環次數，即第i次循環；因此第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1，A1就等于A。；為敘述方便，命名“索結構當前力學計算基準模型 A"。”，在每一次循環中A"。根據需要會不斷更新，每一次循環開始時，A"。等于Ai ；同樣為敘述方便，命名“索結構實測支座廣義坐標向量U"”，在每一次循環中，不斷實測獲得索結構支座廣義坐標當前數據，所有索結構支座廣義坐標當前數據組成當前索結構實測支座廣義坐標向量U"，向量Uti的元素與向量U。相同位置的元素表示相同支座的相同方向的廣義坐標；為敘述方便起見，對于第i次循環，將上一次更新A"。時的索結構支座廣義坐標當前數據記為當前索結構支座廣義坐標向量U"。；第一次循環開始時，A"。等于A1，U"。等于U。；支座廣義坐標包括線量和角量兩種；g.實測獲得索結構支座廣義坐標當前數據，所有索結構支座廣義坐標當前數據組成當前索結構實測支座廣義坐標向量U"，根據當前索結構實測支座廣義坐標向量U"，在必要時更新索結構當前力學計算基準模型A"。和當前索結構支座廣義坐標向量U"。；h.在索結構當前力學計算基準模型A"。的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ACi和名義單位損傷向量Diu ；i.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量C1”。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；j.定義索系統當前名義損傷向量 < 和當前實際損傷向量dS損傷向量的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的損傷程度或健康狀態；k.依據“被監測量的當前數值向量Ci"同“被監測量的初始數值向量ci。”、“單位損傷被監測量變化矩陣ACi"和“當前名義損傷向量屮。”間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除f。外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義損傷向量屮。；
2.根據權利要求1所述的支座廣義位移時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法，其特征在于在步驟g中，根據當前索結構實測支座廣義坐標向量U"，在必要時更新索結構當前力學計算基準模型A"。和當前索結構支座廣義坐標向量U"。的具體方法為gl.實測得到當前索結構實測支座廣義坐標向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti等于 U"。，則不需要對A"。進行更新；g2.實測得到當前索結構實測支座廣義坐標向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti不等于 U"。，則需要對A"。進行更新，更新方法是先計算Uti與U0的差，Uti與U0的差就是當前索結構支座關于在建立A。時的索結構支座的當前支座廣義位移，用當前支座廣義位移向量V表示支座廣義位移，當前支座廣義位移向量V中的元素與支座廣義位移分量之間是一一對應關系，當前支座廣義位移向量V中一個元素的數值對應于一個指定支座的繞一個指定方向的廣義位移；更新A"。的方法是在A。的基礎上令索的健康狀況為索系統初始損傷向量屮。， 再進一步對Α。中的索結構支座施加當前支座廣義位移約束，當前支座廣義位移約束的數值就取自當前支座廣義位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加當前支座廣義位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型A"。，更新A"。的同時，Uti0所有元素數值也用Uti所有元素數值代替，即更新了 U"。，這樣就得到了正確地對應于A"。的 U"。。
3.根據權利要求1所述的支座廣義位移時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法，其特征在于在步驟h中，在索結構當前力學計算基準模型A"。的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ACi和名義單位損傷向量Diu的具體方法為h 1.在第i次循環開始時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ACi和名義單位損傷向量Diu;在其它時刻，當步驟g中對A"。進行更新后， 必須按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣Δ Ci和名義單位損傷向量Diu，如果在步驟g中沒有對A"。進行更新，則在此處直接轉入步驟i進行后續工作；h2.在索結構當前力學計算基準模型Α"。的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于所有索的數量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷的基礎上再增加單位損傷，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結構中所有指定被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個“被監測量的計算當前數值向量”；當假設第j根索有單位損傷時，可用C、表示對應的“被監測量的計算當前數值向量”;在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素， 表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；h3.每一次計算得到的那個“被監測量的計算當前數值向量Cit/減去“被監測量的初始數值向量Cit/'得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的單位損傷值后得到一個“被監測量的數值變化向量δ Ci/'；有N根索就有N個“被監測量的數值變化向量”；h4.由這N個“被監測量的數值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監測量變化矩陣ACi";“單位損傷被監測量變化矩陣ACi"的每一列對應于一個“被監測量的數值變化向量”；“單位損傷被監測量變化矩陣”的列的編號規則與當前名義損傷向量 < 和當前實際損傷向量Cli的元素編號規則相同。
全文摘要
支座廣義位移時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法基于應變監測、通過監測結構支座廣義坐標來決定是否需要再次更新結構的力學計算基準模型，考慮到了被監測量的當前數值向量同被監測量的初始數值向量、單位損傷被監測量變化矩陣和當前名義損傷向量間的線性關系是近似的，為克服此缺陷，本發明給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成連續的一個個小區間，在每一個小區間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區間內可以利用多目標優化算法等合適的算法算出當前索損傷向量的非劣解，據此可以比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01M99/00GK102221482SQ20111014566
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者洪琨, 韓玉林 申請人:東南大學