[發(fā)明專利]基于混合監(jiān)測(cè)的遞進(jìn)式索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010140048.4
• 申請(qǐng)日: 2010-04-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101793627A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓玉林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01M19/00
• 分類(lèi)號(hào): G01M19/00;G01B21/02;G01N21/84;G01N29/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于混合監(jiān)測(cè)的遞進(jìn)式索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括：

a.為敘述方便起見(jiàn)，本方法統(tǒng)一稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為N；確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本方法用變量j表示這一編號(hào)，j＝1，2，3，...，N；

b.確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M₁個(gè)指定索的M₁個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M₁個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的索力信息；M₁是一個(gè)不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K₂個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L₂個(gè)指定方向的應(yīng)變來(lái)描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K₂個(gè)指定點(diǎn)的所有被測(cè)應(yīng)變的變化；每次共有M₂個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M₂為K₂和L₂之積；M₂是不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)角度的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K₃個(gè)指定點(diǎn)的、過(guò)每個(gè)指定點(diǎn)的L₃個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H₃個(gè)角度坐標(biāo)分量來(lái)描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化；每次共有M₃個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M₃為K₃、L₃和H₃之積；M₃是一個(gè)不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K₄個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L₄個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來(lái)描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K₄個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M₄個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)形狀，M₄為K₄和L₄之積；M₄是一個(gè)不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測(cè)的被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M為M₁、M₂、M₃和M₄之和，定義參量K，K為M₁、K₂、K₃和K₄之和，K和M不得小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N；由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量是不同類(lèi)型的，所以本方法稱為“基于混合監(jiān)測(cè)的遞進(jìn)式索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法”；為方便起見(jiàn)，在本方法中將本步所列出的“混合監(jiān)測(cè)時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；

c.利用被評(píng)估對(duì)象的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)建立被評(píng)估對(duì)象初始健康狀態(tài)向量dⁱ_o；如果沒(méi)有被評(píng)估對(duì)象的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，向量dⁱ_o的各元素?cái)?shù)值取0；向量dⁱ_o的元素的編號(hào)規(guī)則和被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則相同；本方法用i表示循環(huán)次數(shù)，i＝1，2，3，......；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的初始健康狀態(tài)向量dⁱ_o可以具體化為d¹_o；

d.在建立初始健康狀態(tài)向量d¹_o的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Cⁱ_o；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Cⁱ_o可以具體化為C¹_o；在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量C¹_o的同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)；直接測(cè)量計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F_o；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量l_o；向量F_o和向量l_o是不變的；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；

e.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ可以具體化為A¹；

f.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”；

g.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量Cⁱ”；給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量Fⁱ；實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離；

h.定義當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ，兩個(gè)損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前名義損傷程度或支座位移，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際損傷程度或支座位移，兩個(gè)損傷向量的元素的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，兩個(gè)損傷向量的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩個(gè)損傷向量的元素的編號(hào)規(guī)則和被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則相同；

i.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量Cⁱ”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Cⁱ_o”、“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCⁱ”和“當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，該表達(dá)式中除dⁱ_c外的其它量均為已知，求解該表達(dá)式就可以算出當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

j.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ同初始健康狀態(tài)向量dⁱ_o和當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c的元素間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ的所有元素；

dji=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

上式中j＝1，2，3，……，N；

當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的實(shí)際損傷程度或?qū)嶋H支座位移，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實(shí)際支座位移；若當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量的某一元素對(duì)應(yīng)于索系統(tǒng)中的一根索，且其數(shù)值為0，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒(méi)有損傷或松弛的，若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對(duì)應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力，若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力；如果當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量的某一元素對(duì)應(yīng)于一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么dⁱ_j表示其當(dāng)前位移數(shù)值；

k.從第j步中識(shí)別出的有問(wèn)題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；

l.利用在第j步獲得的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dⁱ得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當(dāng)前索力向量Fⁱ，利用在第g步獲得的所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長(zhǎng)度向量l_o，利用在第d步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過(guò)將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來(lái)計(jì)算松弛索的、與當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度等效的松弛程度，力學(xué)等效條件是：一、兩等效的索的無(wú)松弛和無(wú)損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同；滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長(zhǎng)度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長(zhǎng)調(diào)整量；這樣就實(shí)現(xiàn)了支承索的松弛識(shí)別；計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量Fⁱ對(duì)應(yīng)元素給出；

m.在求得當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c后，按照式3建立標(biāo)識(shí)向量Bⁱ，式4給出了標(biāo)識(shí)向量Bⁱ的第j個(gè)元素的定義；

Bi=[B1iB2i···Bji···BNi]T]]>式3

Bji=0,ifdcji<Duji1,ifdcji≥Duji]]>式4

在上列兩公式中元素Bⁱ_j是標(biāo)識(shí)向量Bⁱ的第j個(gè)元素，Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個(gè)元素，dⁱ_cj是當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量dⁱ_c的第j個(gè)元素，它們都表示第j個(gè)被評(píng)估對(duì)象的相關(guān)信息，j＝1，2，3，……，N；

n.如果標(biāo)識(shí)向量Bⁱ的元素全為0，則回到第g步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標(biāo)識(shí)向量Bi的元素不全為0，則進(jìn)入下一步、即第o步；

o.根據(jù)式5計(jì)算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始健康狀態(tài)向量dⁱ⁺¹_o的每一個(gè)元素dⁱ⁺¹_oj；

doji+1=1-(1-doji)(1-DujiBji)]]>式5

上式中Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個(gè)元素，dⁱ_oj是初始健康狀態(tài)向量dⁱ_o的第j個(gè)元素，Bⁱ_j是標(biāo)識(shí)向量Bⁱ的第j個(gè)元素，j＝1，2，3，……，N；向量dⁱ⁺¹_o的元素的編號(hào)規(guī)則和被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則相同；

p.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ的基礎(chǔ)上，令被評(píng)估對(duì)象的健康狀況為dⁱ⁺¹_o后更新得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ⁺¹；

q.通過(guò)對(duì)力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ⁺¹的計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于模型Aⁱ⁺¹的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+1次循環(huán)所需的被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Cⁱ⁺¹_o；

r.回到第f步，開(kāi)始下一次循環(huán)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合監(jiān)測(cè)的遞進(jìn)式索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在步驟f中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”的具體方法為：

f1.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Aⁱ的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于N；依據(jù)被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，依次進(jìn)行計(jì)算；每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原有損傷或位移的基礎(chǔ)上再增加單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索再增加單位損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向再增加單位位移，每一次計(jì)算中再增加單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中再增加單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，用“名義單位損傷向量Dⁱ_u”記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位位移，其中i表示第i次循環(huán)，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量；

f2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量減去被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；

f3.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量按照N個(gè)被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔCⁱ。