[發(fā)明專利]一種基于溫度應(yīng)變的空間鋼結(jié)構(gòu)支座剛度識(shí)別方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910894736.0
• 申請(qǐng)日: 2019-09-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110717287B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐杰;馬乾;韓慶華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G01M5/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉子文

1.一種基于溫度應(yīng)變的空間鋼結(jié)構(gòu)支座剛度識(shí)別方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)布置傳感器，采集數(shù)據(jù)：在結(jié)構(gòu)中與待識(shí)別支座相連接的構(gòu)件處布置可同步采集應(yīng)變與溫度數(shù)據(jù)的傳感器；對(duì)構(gòu)件的應(yīng)變與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集；應(yīng)保證應(yīng)變與溫度數(shù)據(jù)的采集頻率一致，同時(shí)確保測(cè)量精度，減少外界干擾對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；傳感器選用溫度自補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器或帶溫度補(bǔ)償?shù)恼裣沂綉?yīng)變傳感器；

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)應(yīng)變與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值替換、降噪和下采樣處理，增加數(shù)據(jù)的可靠性、降低分析樣本數(shù)量；異常值替換和降噪處理的具體方法如下：

(201)對(duì)異常值進(jìn)行替換：從起始采集的數(shù)據(jù)開(kāi)始，取窗口長(zhǎng)度為L(zhǎng)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)求均值和標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足即某一測(cè)量值與均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的3倍時(shí)，則用與該數(shù)據(jù)點(diǎn)相鄰的數(shù)據(jù)加以替換；之后沿?cái)?shù)據(jù)依次移動(dòng)窗口直至覆蓋所有數(shù)據(jù)，其中x_i為的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，為L(zhǎng)長(zhǎng)度內(nèi)數(shù)據(jù)的均值，σ為L(zhǎng)長(zhǎng)度內(nèi)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；

(202)對(duì)噪聲進(jìn)行去除：采用滑動(dòng)平均法進(jìn)行去噪，從起始采集的數(shù)據(jù)開(kāi)始，取一個(gè)窗口的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)求均值，將窗口內(nèi)的全部數(shù)據(jù)替換為該均值，之后沿?cái)?shù)據(jù)依次移動(dòng)窗口直至覆蓋所有數(shù)據(jù)；

為減小后續(xù)分析計(jì)算量和時(shí)間，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，即對(duì)于原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間隔幾個(gè)數(shù)據(jù)取樣一次，從而得到數(shù)據(jù)量較少的新樣本用于后續(xù)分析計(jì)算；

(3)溫度應(yīng)變的分離提取：對(duì)步驟(2)處理過(guò)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取數(shù)據(jù)中的溫度應(yīng)變分量，即為實(shí)測(cè)溫度應(yīng)變；所分離提取的溫度應(yīng)變?yōu)闇囟群奢d下的應(yīng)力應(yīng)變，而非桿件自由熱膨脹的熱應(yīng)變；采用主成分分析方法進(jìn)行分離提取，對(duì)步驟(2)處理過(guò)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，保留一階主成分作為主成分分析的轉(zhuǎn)換矩陣，將數(shù)據(jù)進(jìn)行投影后再進(jìn)行逆投影，可得應(yīng)變中溫度應(yīng)變分量；

(4)建立初始有限元模型：根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立空間鋼結(jié)構(gòu)的初始有限元模型，其中支座剛度的初始值為其設(shè)計(jì)值；在進(jìn)行支座剛度識(shí)別之前，根據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始有限元建模，模型的參數(shù)取值包括各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)尺寸、桿件尺寸、材料特性，根據(jù)設(shè)計(jì)資料輸入，約束剛度的初始值取設(shè)計(jì)資料給出的參數(shù)值，記為p⁽⁰⁾；

(5)剛度識(shí)別：將經(jīng)步驟(2)預(yù)處理后的溫度數(shù)據(jù)作為荷載，輸入步驟(4)所建立的初始有限元模型，計(jì)算有限元模型中與實(shí)際結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)位置相同處的溫度應(yīng)變，即為計(jì)算溫度應(yīng)變；利用計(jì)算溫度應(yīng)變與步驟(3)提取的實(shí)測(cè)溫度應(yīng)變之差構(gòu)造支座剛度識(shí)別的判別指標(biāo)，通過(guò)改變有限元模型的支座剛度值，不斷迭代計(jì)算，使支座剛度識(shí)別的判別指標(biāo)值逐漸變小，最終達(dá)到收斂，此時(shí)所得的有限元模型的支座剛度值，即為結(jié)構(gòu)支座的實(shí)際剛度值；將環(huán)境溫度變化視為靜力荷載，因此結(jié)構(gòu)受溫度荷載作用的有限元分析過(guò)程與一般靜力荷載下的分析過(guò)程相同；將經(jīng)步驟(2)處理后的溫度數(shù)據(jù)輸入有限元模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)受溫度荷載作用下的應(yīng)變，即為計(jì)算溫度應(yīng)變：{ε}＝[B][K(p)]^-1{F(ΔT)}，式中，[B]為應(yīng)變變化矩陣，僅由單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)決定，[K(p)]為引入邊界條件后的結(jié)構(gòu)剛度矩陣，是包含支座剛度在內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)p的函數(shù)；{F(ΔT)}為激勵(lì)荷載，是溫度變化ΔT的函數(shù)；計(jì)算溫度應(yīng)變{ε}與實(shí)測(cè)溫度應(yīng)變{ε}^M之間的殘差{r}表示為{r(p)}＝{ε}-{ε}^M，殘差{r}是結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的函數(shù)，為支座剛度識(shí)別的判別指標(biāo)；結(jié)構(gòu)支座剛度識(shí)別的過(guò)程是通過(guò)不斷迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu)支座剛度參數(shù)p，使支座剛度識(shí)別的判別指標(biāo){r}范數(shù)最小：E(p)＝{r}^T{r}＝||{r}||²→min；

尋找滿足E(p)最小的解為關(guān)于p的極小值尋優(yōu)過(guò)程，采用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，選取殘差范數(shù)為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)值，通過(guò)選擇、交叉、變異操作不斷迭代計(jì)算，直至最終的迭代的剛度值滿足終止條件||p^(t+1)-p^(t)||/p^(t)＜Tol，輸出結(jié)果即為支座剛度識(shí)別的最終結(jié)果。