[發明專利]一種基于混合元啟發式算法的鋼桁架結構損傷識別方法

在審

• 申請號: 201911143390.7
• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN110889250A
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 周宏元;張廣才;王小娟;倪萍禾
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06N3/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于混合元啟發式算法的鋼桁架結構損傷識別方法,屬于元啟發式算法在鋼桁架損傷識別這一工程領域的應用,主要包括四個步驟：建立鋼桁架損傷結構的有限元模型,獲取結構在外荷載作用下的加速度；使用混合算法計算加速度；構建鋼桁架結構的目標函數；不斷優化目標函數直到滿足終止條件輸出最優解。本發明綜合兩種算法的優點,兼顧全局搜索與局部搜索的平衡,使該混合算法有很好的精確性和魯棒性；該算法采用自適應變異和交叉算子和隨迭代次數而改變的動態參數,可以識別出損傷的存在,損傷的位置和損傷的程度,而且在噪聲環境下,本發明方法仍可以較為精確的識別鋼桁架結構的多處損傷。

技術領域

本發明涉及結構損傷識別技術領域,具體為一種基于混合元啟發式算法的鋼桁架結構損傷識別方法。

背景技術

隨著科學技術的進步,大量新材料、新設備、新技術的應用使工程結構朝著大型化、復雜化的方向發展,上海金融中心、北京中國尊和深圳平安金融中心等標志性建筑表明我國在土木工程領域取得了巨大進步。由于工程結構的使用壽命長達幾十年,在服役期內結構易受到材料老化、超載、環境侵蝕和疲勞破壞等不利因素的耦合作用,將引起結構承載力降低和損傷累積，可能導致結構破壞引發災難性后果。2004年法國戴高樂機場2E候機樓結構在溫差的反復作用下,結構損傷不斷累積,承載力逐漸降低而坍塌；2007年美國明尼阿波利斯市的一座橋梁因鋼材銹蝕發生坍塌事故；2008年南方特大冰雪災害使鋼結構超過其承載能力而大量破壞。鋼桁架結構是常用的工程結構形式之一,為了保證結構在服役期內正常運行,保障人們財產和人身的安全,有必要對其進行健康監測。結構損傷識別技術是健康監測的核心,是工程領域的研究熱點之一。

結構損傷識別方法中,基于振動的方法是利用結構的加速度、頻率、振型等動態參數對損傷進行檢測,具有非破壞性、方便性和有效性等優點。鋼桁架結構損傷識別逆問題可以轉化為約束優化問題,先根據結構的動態參數定義優化問題的目標函數,然后利用優化算法計算出目標函數的最值。近些年來,大量優化算法已經應用在鋼桁架結構損傷識別問題,傳統的優化方法存在明顯不足,或依賴于初始值,或易陷于局部最優而非全局最優；而受自然啟發的元啟發式算法則表現優越,全局搜索能力更強,既無需計算梯度,又易于實現并行計算。迄今為止,研究人員提出了多種自然啟發的元啟發式算法解決全局優化問題,常見的有人工蜂群算法(ABC)、模擬退火算法(SA)、遺傳算法(GA)、粒子群優化算法(PSO)、差分進化算法(DE)等。其中,模擬蝴蝶覓食和交配行為的蝴蝶優化算法(ButterflyOptimization Algorithms，簡稱為BOA)是一種最新被提出并受到關注的智能優化算法,主要基于蝴蝶利用嗅覺確定花蜜位置和交配對象的策略。該算法設計參數少,概念簡單且易于實施,收斂速度快；但蝴蝶優化算法也存在不足,全局搜索能力較差,有時陷入局部最優,向局部最優提前收斂而無法很好地執行全局搜索等。差分進化算法利用選擇、變異和交叉三步操作更新種群個體，該算法全局搜索能力強,結構簡單,易與不同算法混合。單獨利用蝴蝶優化算法和差分進化算法進行鋼桁架的損傷識別存在無法精確識別多處損傷和對噪聲敏感的問題，影響了方法的實際應用。

發明內容

為克服上述方法的缺陷,本發明提出一種混合蝴蝶優化和差分進化的元啟發式算法，把差分進化算法中的變異和交叉操作加入到蝴蝶優化算法的全局搜索階段,平衡全局搜索與局部搜索的關系,加快收斂速度,避免陷入局部最優陷阱,該混合算法可探測出損傷的存在、損傷的位置和損傷的程度，解決鋼桁架損傷識別的反問題。

為實現上述目的,本發明采用的技術方案如下：

一種基于混合元啟發式算法的鋼桁架結構損傷識別方法,具體包括以下步驟

步驟1：將鋼桁架劃分為M個單元，L個加速度計安裝在不同節點上,利用加速度計測量結構在外荷載force作用下的響應A_mea；