[發(fā)明專利]精簡廣義位移索力監(jiān)測載荷受損索識別方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510439883.0
• 申請日: 2015-07-23
• 公開（公告）號: CN105067349A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓玉林;韓佳邑
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01K13/00;G01L5/00;G01B21/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.精簡廣義位移索力監(jiān)測載荷受損索識別方法，其特征在于所述方法包括：

a.當索結(jié)構(gòu)承受的載荷雖有變化，但索結(jié)構(gòu)正在承受的載荷沒有超出索結(jié)構(gòu)初始許用載荷時，本方法適用；索結(jié)構(gòu)初始許用載荷指索結(jié)構(gòu)在竣工時的許用載荷，能夠通過常規(guī)力學(xué)計算獲得；本方法統(tǒng)一稱被評估的支承索和載荷為“被評估對象”，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和載荷的數(shù)量之和為N，即“被評估對象”的數(shù)量為N；本方法用名稱“核心被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的支承索，本方法用名稱“次要被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的載荷；確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本方法用變量k表示這一編號，k＝1,2,3,…,N；設(shè)索系統(tǒng)中共有M₁根支承索，顯然核心被評估對象的數(shù)量就是M₁，索結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)包括這M₁根支承索的索力，本方法在監(jiān)測全部M₁根支承索索力的基礎(chǔ)上，在索結(jié)構(gòu)上人為增加M₂根索，稱為傳感索，在索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測過程中將監(jiān)測這新增加的M₂根傳感索的索力；綜合上述被監(jiān)測量，整個索結(jié)構(gòu)共有M根索的M個索力被監(jiān)測，即有M個被監(jiān)測量，其中M為M₁與M₂之和；M必須大于核心被評估對象的數(shù)量，M小于被評估對象的數(shù)量；新增加的M₂根傳感索的剛度同索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的剛度相比，應(yīng)當小得多；新增加的M₂根傳感索的各傳感索的索力應(yīng)當比索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M₂根傳感索出現(xiàn)了損傷或松弛，對索結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形的影響微乎其微；新增加的M₂根傳感索的橫截面上正應(yīng)力應(yīng)當小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M₂根傳感索不會發(fā)生疲勞損傷；新增加的M₂根傳感索的兩端應(yīng)當充分錨固，保證不會出現(xiàn)松弛；新增加的M₂根傳感索應(yīng)當?shù)玫匠浞值姆栏g保護，保證新增加的M₂根傳感索不會發(fā)生損傷和松弛；為方便起見，在本方法中將“索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”；給M個被監(jiān)測量連續(xù)編號，本方法用用變量j表示這一編號，j＝1,2,3,…,M，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；在本方法中新增加的M₂根傳感索作為索結(jié)構(gòu)的一部分，后文再提到索結(jié)構(gòu)時，索結(jié)構(gòu)包括增加M₂根傳感索前的索結(jié)構(gòu)和新增加的M₂根傳感索，也就是說后文提到索結(jié)構(gòu)時指包括新增加的M₂根傳感索的索結(jié)構(gòu)；測量得到新增加的M₂根傳感索的索力的方法同于索結(jié)構(gòu)的M₁根支承索的索力的測量方法，在后文不再一一交代；對索結(jié)構(gòu)的支承索進行任何測量時，同時對新增加的M₂根傳感索進行同樣的測量，在后文不再一一交代；新增加的M₂根傳感索除了不發(fā)生損傷和松弛外，對新增加的M₂根傳感索的信息量的要求和獲得方法與索結(jié)構(gòu)的支承索的信息量的要求和獲得方法相同，在后文不再一一交代；在后文建立索結(jié)構(gòu)的各種力學(xué)模型時，將新增加的M₂根傳感索視同索結(jié)構(gòu)的支承索對待；在后文中，除了提到支承索的損傷和松弛的場合外，當提到支承索時所說的支承索包括索結(jié)構(gòu)的支承索和新增加的M₂根傳感索；物體、結(jié)構(gòu)承受的外力可稱為載荷，載荷包括面載荷和體積載荷；面載荷又稱表面載荷，是作用于物體表面的載荷，包括集中載荷和分布載荷兩種；體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點的載荷，包括物體的自重和慣性力在內(nèi)；集中載荷分為集中力和集中力偶兩種，在包括笛卡爾直角坐標系在內(nèi)的坐標系中，一個集中力可以分解成三個分量，同樣的，一個集中力偶也可以分解成三個分量，如果載荷實際上是集中載荷，在本方法中將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統(tǒng)計為一個載荷，此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化；分布載荷分為線分布載荷和面分布載荷，分布載荷的描述至少包括分布載荷的作用區(qū)域和分布載荷的大小，分布載荷的大小用分布集度來表達，分布集度用分布特征和幅值來表達；如果載荷實際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時，實際上是指分布載荷分布集度的幅值的改變，而所有分布載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的；在包括笛卡爾直角坐標系在內(nèi)的坐標系中，一個分布載荷可以分解成三個分量，如果這分布載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發(fā)生變化，且變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這分布載荷的三個分量計為或統(tǒng)計為三個分布載荷，此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量；體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點的載荷，體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區(qū)域和體積載荷的大小，體積載荷的大小用分布集度來表達，分布集度用分布特征和幅值來表達；如果載荷實際上是體積載荷，在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變，而所有體積載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的，此時在本方法中提到載荷的改變時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時，發(fā)生變化的載荷是指那些分布集度的幅值發(fā)生變化的體積載荷；在包括笛卡爾直角坐標系在內(nèi)的坐標系中，一個體積載荷可以分解成三個分量，如果這體積載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發(fā)生變化，且變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這體積載荷的三個分量計為或統(tǒng)計為三個分布載荷；

b.實測或查資料得到索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料的物理和力學(xué)性能參數(shù)；

c.在實測或查資料得到索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料的物理和力學(xué)性能參數(shù)的同時，直接測量計算得到初始索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)是包括索結(jié)構(gòu)集中載荷測量數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)分布載荷測量數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)體積載荷測量數(shù)據(jù)、所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值、所有支承索的初始索力數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)空間坐標數(shù)據(jù)在內(nèi)的實測數(shù)據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標數(shù)據(jù)包括初始索結(jié)構(gòu)支座空間坐標數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標數(shù)據(jù)，在得到初始索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)的同時，測量計算得到包括支承索的無損檢測數(shù)據(jù)在內(nèi)的能夠表達支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，此時的能夠表達支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)稱為支承索初始健康狀態(tài)數(shù)據(jù)；所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值組成被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o，被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o的編號規(guī)則與M個被監(jiān)測量的編號規(guī)則相同；利用支承索初始健康狀態(tài)數(shù)據(jù)以及索結(jié)構(gòu)載荷測量數(shù)據(jù)建立被評估對象初始損傷向量d_o，向量d_o表示用初始力學(xué)計算基準模型A_o表示的索結(jié)構(gòu)的被評估對象的初始健康狀態(tài)；被評估對象初始損傷向量d_o的元素個數(shù)等于N，d_o的元素與被評估對象是一一對應(yīng)關(guān)系，向量d_o的元素的編號規(guī)則與被評估對象的編號規(guī)則相同；如果d_o的某一個元素對應(yīng)的被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么d_o的該元素的數(shù)值代表對應(yīng)支承索的初始損傷程度，若該元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的支承索是完好的，沒有損傷的，若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對應(yīng)的支承索已經(jīng)完全喪失承載能力，若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該支承索喪失了相應(yīng)比例的承載能力；如果d_o的某一個元素對應(yīng)的被評估對象是某一個載荷，本方法中取d_o的該元素數(shù)值為0，代表這個載荷的變化的初始數(shù)值為0；如果沒有支承索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷無松弛狀態(tài)時，向量d_o中與支承索相關(guān)的各元素數(shù)值取0；初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標向量U_o；

d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和初始索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、支承索初始健康狀態(tài)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)集中載荷測量數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)分布載荷測量數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)體積載荷測量數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料的物理和力學(xué)性能參數(shù)、初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標向量U_o和前面步驟得到的所有的索結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A_o，基于A_o計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5％；對應(yīng)于A_o的被評估對象健康狀態(tài)用被評估對象初始損傷向量d_o表示；對應(yīng)于A_o的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值用被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o表示；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o和被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o和被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o時，索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A_o，被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o就等于被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o；對應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標數(shù)據(jù)組成當前初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標向量U^t_o，第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o時，U^t_o就等于U_o；A^t_o的被評估對象的初始健康狀態(tài)與A_o的被評估對象的健康狀態(tài)相同，也用被評估對象初始損傷向量d_o表示，在后面的循環(huán)過程中A^t_o的被評估對象的初始健康狀態(tài)始終用被評估對象初始損傷向量d_o表示；U_o和d_o是A_o的參數(shù)，由A_o的力學(xué)計算結(jié)果得到的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值與C_o表示的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值相同，因此也可以說C_o由A_o的力學(xué)計算結(jié)果組成；U^t_o和d_o是A^t_o的參數(shù)，C^t_o由A^t_o的力學(xué)計算結(jié)果組成；

e.從這里進入由第e步到第m步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標向量U^t，向量U^t的定義方式與向量U_o的定義方式相同；在實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標向量U^t的同時，對新增加的M₂根傳感索進行無損檢測，從中鑒別出出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索，依據(jù)被監(jiān)測量編號規(guī)則，從本方法之前出現(xiàn)的按照被監(jiān)測量編號規(guī)則編號的各向量中去除與鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索對應(yīng)的元素，在本方法之后出現(xiàn)的各向量和矩陣中也不再出現(xiàn)與鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索對應(yīng)的元素，在本方法之后提到傳感索時不再包括這里被鑒別出出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索，在本方法之后提到被監(jiān)測量時不再包括這里被鑒別出出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索的索力；從索結(jié)構(gòu)上鑒別出幾根出現(xiàn)損傷或松弛的傳感索，就將M₂和M減小同樣的數(shù)量；

f.根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標向量U^t，按照步驟f1至f3更新當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o、當前初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標向量U^t_o和被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o；

f1.比較U^t與U^t_o，如果U^t等于U^t_o，則A^t_o、U^t_o和C^t_o保持不變，否則需要按下列步驟對A^t_o、U^t_o和C^t_o進行更新；

f2.計算U^t與U_o的差，U^t與U_o的差就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置的支座廣義位移，用支座廣義位移向量V表示支座廣義位移，V等于U^t減去U_o，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(yīng)關(guān)系，支座廣義位移向量V中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的廣義位移；

f3.對A_o中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座廣義位移約束，支座廣義位移約束的數(shù)值就取自支座廣義位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A_o中索結(jié)構(gòu)支座施加支座廣義位移約束后得到更新的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o，更新A^t_o的同時，U^t_o所有元素數(shù)值也用U^t所有元素數(shù)值對應(yīng)代替，即更新了U^t_o，這樣就得到了正確地對應(yīng)于A^t_o的U^t_o；更新C^t_o的方法是：當更新A^t_o后，通過力學(xué)計算得到A^t_o中所有被監(jiān)測量的、當前的具體數(shù)值，這些具體數(shù)值組成C^t_o；A^t_o的支承索的初始健康狀態(tài)始終用被評估對象初始損傷向量d_o表示；

g.在當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o的基礎(chǔ)上按照步驟g1至g4進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC和被評估對象單位變化向量D_u；

g1.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC是不斷更新的，即在更新當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o、當前初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標向量U^t_o和被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o之后，必須接著更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC和被評估對象單位變化向量D_u；

g2.在索結(jié)構(gòu)的當前初始力學(xué)計算基準模型A^t_o的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有被評估對象的數(shù)量N，有N個評估對象就有N次計算；依據(jù)被評估對象的編號規(guī)則，依次進行計算；每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象在原有損傷或載荷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷或載荷單位變化，具體的，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在向量d_o表示的該支承索已有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個載荷，就假設(shè)該載荷在向量d_o表示的該載荷已有變化量的基礎(chǔ)上再增加載荷單位變化，用D_uk記錄這一增加的單位損傷或載荷單位變化，其中k表示增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象的編號，D_uk是被評估對象單位變化向量D_u的一個元素，被評估對象單位變化向量D_u的元素的編號規(guī)則與向量d_o的元素的編號規(guī)則相同；每一次計算中增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量，被監(jiān)測量計算當前向量的元素編號規(guī)則與被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o的元素編號規(guī)則相同；

g3.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以該次計算所假設(shè)的單位損傷或載荷單位變化數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量單位變化向量，有N個被評估對象就有N個被監(jiān)測量單位變化向量；

g4.由這N個被監(jiān)測量單位變化向量按照N個被評估對象的編號規(guī)則，依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC；索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量單位變化向量；索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC的每一行對應(yīng)于同一個被監(jiān)測量在不同被評估對象增加單位損傷或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度；索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC的列的編號規(guī)則與向量d_o的元素的編號規(guī)則相同，索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC的行的編號規(guī)則與M個被監(jiān)測量的編號規(guī)則相同；

h.在實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標向量U^t的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C；被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C和被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o與被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C_o的定義方式相同，三個向量的相同編號的元素表示同一被監(jiān)測量在不同時刻的具體數(shù)值；

i.定義被評估對象當前名義損傷向量d，被評估對象當前名義損傷向量d的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，被評估對象當前名義損傷向量d的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系，被評估對象當前名義損傷向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的名義損傷程度或名義載荷變化量；向量d的元素的編號規(guī)則與向量d_o的元素的編號規(guī)則相同；

j.依據(jù)被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量當前初始數(shù)值向量C^t_o、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前名義損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評估對象當前名義損傷向量d；

C=Cot+ΔC·d]]>式1

k.定義被評估對象當前實際損傷向量d^a，被評估對象當前實際損傷向量d^a的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，被評估對象當前實際損傷向量d^a的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系，被評估對象當前實際損傷向量d^a的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的實際損傷程度或?qū)嶋H載荷變化量；向量d^a的元素的編號規(guī)則與向量d_o的元素的編號規(guī)則相同；

l.利用式2表達的被評估對象當前實際損傷向量d^a的第k個元素d^a_k同被評估對象初始損傷向量d_o的第k個元素d_ok和被評估對象當前名義損傷向量d的第k個元素d_k間的關(guān)系，計算得到被評估對象當前實際損傷向量d^a的所有元素；

式2

式2中k＝1,2,3,…….,N，d^a_k表示第k個被評估對象的當前實際健康狀態(tài)，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么d^a_k表示其當前實際損傷，d^a_k為0時表示無損傷，為100％時表示該支承索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示喪失相應(yīng)比例的承載能力；如果該被評估對象是一個載荷，那么d^a_k表示該載荷的實際變化量；所以根據(jù)被評估對象當前實際損傷向量d^a能夠確定核心被評估對象的健康狀態(tài)；

m.回到第e步，開始由第e步到第m步的下一次循環(huán)。