[發明專利]一種便攜式混凝土壩材料動力參數測試系統與測試方法

有效

• 申請號: 201811344905.5
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109522639B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 蘇懷智;周仁練
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F30/23
• 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

1.一種便攜式混凝土壩材料動力參數測試系統的測試方法，該測試系統包含數據采集模塊、數據分析模塊和可視化操控模塊，所述數據采集模塊采集大壩的振動響應數據，識別大壩模態參數，并基于此反演大壩材料的動力參數；其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：現場采集測試對象的振動響應數據；所述測試對象為大壩和/或壩段；

步驟二：識別測試對象的實測運行模態參數；

其中，采用改進模態置信因子法和穩態圖法鑒別模態真假，剔除虛假模態；

穩態圖法的實現過程如下：

(1)假設模型系統的階數為n，由于系統階數是模態階數的兩倍，因此n為偶數；

(2)設定需要計算的系統階數的下限n_min與上限n_max，同理n_min與n_max均取偶數，選取n_min與n_max之間的所有偶數作為系統階數，計算模態參數；

(3)以各模態參數為橫坐標，不同系統階數的假設值為縱坐標，將計算的模態參數繪制于同一幅圖中，如果系統不同假定階數計算的模態參數分布成一列，未隨著系統階數的變化而離散，則認為這一列表示的模態參數為真實的模態；那些離散分布的模態參數值則認為是虛假模態；

模態置信因子法作為穩態圖法的補充，進一步鑒別模態的真實性，其實現過程如下：

對于結構上任一測點，其在t時刻第r階模態位移為對于同一測點，在延時Δt時間后，在t+Δt時刻測得其模態位移為與兩者關系在理論上為：式中：λ_r為混凝土壩振動系統的特征值；由于系統采集的大壩振動數據中存在噪聲影響和測值誤差，故實際關系式為：式中：a_r為噪聲影響的系數；模態置信因子

當(MCF)_r接近于1時，表明噪聲水平較小，被識別的模態即為真實模態；當(MCF)_r與1的偏差較大時，則為虛假模態，進行剔除；定義偏差系數b_r越接近于0表明模態越真實，設定閾值為0.02，當b_r大于0.02則將該模態剔除，并反饋剩余模態的置信因子的值；步驟三：導入測試對象的有限元模型；

步驟四：生成材料動力參數組合，調用有限元軟件模塊計算各組合方案對應的大壩結構各階模態參數；

步驟五：將步驟四所得結果與對應參數組合組成訓練集，訓練支持向量機；

步驟六：調用量子遺傳算法，生成初始參數種群，利用訓練好的支持向量機模型，算得各種群個體對應的各階模態計算值；

步驟七：根據步驟六得到的各階模態計算值與步驟二所得模態參數識別值，計算目標函數值；

步驟八：根據目標函數值，保留最佳個體，引導量子旋轉門更新，不斷生成新種群，逐漸逼近最佳參數；當目標函數值取得最優或迭代次數達到最大時，輸出最佳個體，即材料動力參數。

2.根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于：所述數據采集模塊包括振動傳感器、信號調理器和數據采集器，用于現場采集大壩的振動數據。

3.根據權利要求2所述的測試方法，其特征在于：所述信號調理器和數據采集器內嵌于便攜式手提箱內。

4.根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于：所述數據分析模塊集成于工控機中，包含數據存儲模塊和計算模塊；其中計算模塊包括用于識別大壩模態參數的模態參數識別子模塊和用于計算混凝土壩材料動力參數的反演計算模型。

5.根據權利要求4所述的測試方法，其特征在于：所述數據存儲模塊用于存儲大壩的基本信息、數據采集模塊采集的振動響應數據、可視化操控模塊發送的系統管理數據和大壩材料動力參數計算過程和結果。

6.根據權利要求4所述的測試方法，其特征在于：所述反演計算模型包括調用有限元軟件模塊建立的數值模型和多輸出支持向量機建立的數據關系模型。

7.根據權利要求4所述的測試方法，其特征在于：所述工控機內嵌于便攜式手提箱內。

8.根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述步驟二具體包括：

(1)根據觀測樣本生成Hankel矩陣；

(2)對Hankel矩陣進行正交三角分解，得到投影矩陣；

(3)對投影矩陣進行奇異值分解得到可觀測矩陣；

(4)將可觀測矩陣帶入隨機狀態模型，得到系統矩陣和輸出矩陣；

(5)對系統狀態矩陣進行特征值分解，得到混凝土壩結構體系的頻率、振型和阻尼比等模態參數；

(6)鑒別模態真假，剔除虛假模態；

(7)輸出混凝土壩真實模態參數。