[發明專利]基于應變監測的遞進式索結構健康監測方法

有效

• 申請號: 201010140076.6
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN101793629A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 韓玉林
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00;G01B21/32;G06F19/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種基于應變監測的遞進式索結構健康監測方法，其特征在于該方法包括：

a.稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數 量和支座位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N；確定被評估對象的 編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用 于生成向量和矩陣；用變量j表示這一編號，j＝1，2，3，...，N；

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”由上述所有指定的被監測應變組成；本方法將“結構的被監測的應變 數據”簡稱為“被監測量”；所有被監測量的數量之和不得小于N；

c.利用被評估對象的無損檢測數據能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建 立被評估對象初始健康狀態向量dⁱ_o；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量 dⁱ_o的各元素數值取0；向量dⁱ_o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；本 方法用i表示循環次數，i＝1，2，3，......；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的 初始健康狀態向量dⁱ_o可以具體化為d¹_o；

d.在建立初始健康狀態向量d¹_o的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監 測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量Cⁱ_o；這里是第一次循環，i取1， 即這里建立的被監測量的初始數值向量Cⁱ_o可以具體化為C¹_o；在實測得到被監測量 初始數值向量C¹_o的同時，實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標 數據；直接測量計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，依 據結構設計數據、竣工數據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向 量l_o；向量F_o和向量l_o是不變的；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有 索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；

e.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初 始索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Aⁱ；這里是第一次循環，i 取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Aⁱ可以具體化為A¹；

f.在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位 損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”；

g.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Cⁱ”；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；實測得到索結構的所有 支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi；實測計算得到所有支承索的兩個支承端 點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水 平距離；

h.定義當前名義健康狀態向量dⁱ_c和當前實際健康狀態向量dⁱ，兩個損傷向量 的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量dⁱ_c的元素數值代表對應 被評估對象的當前名義損傷程度或支座位移，當前實際健康狀態向量dⁱ的元素數值 代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座位移，兩個損傷向量的元素的個數 等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系， 兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；

i.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_o”、“單 位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“當前名義健康狀態向量dⁱ_c”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dⁱ_c外的其它量均為已知，求解 式1就可以算出當前名義健康狀態向量dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

j.利用式2表達的當前實際健康狀態向量dⁱ同初始健康狀態向量dⁱ_o和當前名義 健康狀態向量dⁱ_c的元素間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量dⁱ的所有元素；

dji=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

當前實際健康狀態向量dⁱ的元素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或 實際支座位移，根據當前實際健康狀態向量dⁱ就能確定有哪些支承索受損及其損傷 程度，就能確定實際支座位移；若當前實際健康狀態向量的某一元素對應于是索系 統中的一根索，且其數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛， 若其數值為100％，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力，若其數值介 于0和100％之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；如果當前實際健康狀 態向量的某一元素對應于一個支座的一個位移分量，那么dⁱ_j表示其當前位移數值；

k.從第j步中識別出的有問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步獲得的當前實際健康狀態向量dⁱ得到松弛索的當前實際虛擬損 傷程度，利用在第g步獲得的當前索力向量Fⁱ，利用在第g步獲得的所有支承索的 兩個支承端點的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長度向量l_o，利用在第d 步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索 進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，力學等 效條件是：一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、 密度及材料的力學特性參數相同；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相同；滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中 的力學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，索結構不會發 生任何變化，反之亦然；依據前述力學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度的改變量，也就是確定了那些需調整索力的支承 索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別；計算時所需索力由當前索力向 量Fⁱ對應元素給出；

m.在求得當前名義健康狀態向量dⁱ_c后，按照式3建立標識向量Bⁱ，式4給出了標 識向量Bⁱ的第j個元素的定義；

Bi=B1iB2i...Bji...BNiT]]>式3

Bji=0,ifdcji<Duji1,ifdcji≥Duji]]>式4

式4中元素Bⁱ_j是標識向量Bⁱ的第j個元素，Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個元素，dⁱ_cj是當前名義健康狀態向量dⁱ_c的第j個元素，它們都表示第j個被評估對象的相關信息， 式4中j＝1，2，3，……，N；

n.如果標識向量Bⁱ的元素全為0，則回到第g步繼續本次循環；如果標識向量Bⁱ的元素不全為0，則進入下一步、即第o步；

o.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始健康狀態向量dⁱ⁺¹_o的每 一個元素dⁱ⁺¹_oj；

doji+1=1-(1-doji)(1-DujiBji)]]>式5

式5中Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個元素，dⁱ_oj是第i次循環所用的初始健康 狀態向量dⁱ_o的第j個元素，Bⁱ_j是標識向量Bⁱ的第j個元素，式5中j＝1，2，3，……，N； 向量dⁱ⁺¹_o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；

p.在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上，令被評估對象的健康狀況為dⁱ⁺¹_o后更新得 到下一次、即第i+1次循環所需的力學計算基準模型Aⁱ⁺¹；

q.通過對力學計算基準模型Aⁱ⁺¹的計算得到對應于模型Aⁱ⁺¹的結構的所有被監 測應變的點的、將被監測的應變方向的應變數值，這些數值組成下一次、即第i+1 次循環所需的被監測量的初始數值向量Cⁱ⁺¹_o；

r.回到第f步，開始下一次循環。

2.根據權利要求1所述的基于應變監測的遞進式索結構健康監測方法，其特征 在于在步驟f中，在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，通過計 算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”的具 體方法為：

f1.在索結構的力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，計算次數 數值上等于N；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有 一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加單位損傷或單位位移，具體的， 如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索再增加單位損傷， 如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向 再增加單位位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其 它次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象，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，每一次計 算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所 有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前數值向量；

f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量 后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位位移數值，得到一個被監測量變化向量， 有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量；

f3.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有 N列的單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ。