[发明专利]结构健康监测传感器的布置方法

说明书

本申请涉及一种结构健康监测传感器的布置方法，属于适用于特定领域数据处理方法技术领域。建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵，根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵，设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量，计算各构件所对应的柔度改变量；依次计算结构在所承担的恒荷载向量以及该向量作用下各构件所对应的变形能改变量，依次计算各构件所对应的重要性系数并排序，确定关键构件；在关键构件上布置传感器。将本申请应用于结构健康监测，具有计算过程简洁、用量少、操作便捷等优点。

技术领域

本申请涉及一种结构健康监测传感器的布置方法，属于适用于特定领域数据处理方法技术领域。

背景技术

工程结构在服役期间，由于材料老化、环境腐蚀、外力碰撞等因素都可能导致结构出现损伤状况，结构的早期损伤若不能得到及时监测和维修，将可能造成严重的生命和财产损失(杨秋伟，刘济科.工程结构损伤识别的柔度方法研究进展.振动与冲击，2011，30(12):147-153)。因此，必须采用技术手段对结构的健康工作状况予以监测，才可以及时进行维修加固避免灾难性的后果发生。

目前，已经有许多种健康监测或损伤识别方法，如：CN 101281117、CN 102052935A、CN 101915733A以及CN 102998367A，这些专利通过在结构上布置静力位移或振动传感器，根据采集的参数变化来评估结构是否健康工作。然而，由于测量设备和成本的限制，不可能在结构上密集布置传感器，而只能布置少数的传感器，这必然涉及到传感器的优化布置问题。虽然已经有不少传感器优化布置方法被提出来，如张连振等发表的文章《基于多目标遗传算法的传感器优化布点研究》(工程力学，2007，24(4)，p168-172)、黄民水等发表的《基于改进遗传算法的桥梁结构传感器优化布置》(振动与冲击，2008，27(3)，p82-86)以及袁爱民等发表的《基于EI及MAC混合算法的斜拉桥传感器优化布置》(振动、测试与诊断，2009，29(1)，p55-59)，但这些方法基本上都是由振动控制领域的相关方法改进而来，并不十分适合于健康监测，且计算过程比较复杂。另外，不同的恒载作用下，传感器的布置方案也必然不同，目前的传感器布置方法都没有考虑恒载作用方式的影响。

基于此，做出本申请。

发明内容

针对现有结构健康检测技术中所存在的上述缺陷，本申请提供一种恒载作用下的结构健康监测传感器的优化布置方法，该方案不仅能够考虑恒载作用方式的影响，且计算过程简洁。

为实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：

结构健康监测传感器的布置方法，包括以下步骤：(1)首先建立结构有限元模型，获得结构刚度矩阵K；(2)对刚度矩阵K进行分解，把它分解为自由度关系矩阵X和刚度参数对角矩阵G的乘积形式，即K＝XGX^T；(3)根据刚度矩阵和柔度矩阵互逆的关系，获得结构柔度矩阵的分解式F＝YRY^T；(4)假设结构中各构件出现严重程度相同的损伤量Λ_j，依次计算各构件所对应的柔度改变量△F_j＝YRΛ_jY^T；(5)依次计算结构在所承担的恒荷载向量l作用下各构件所对应的变形能改变量△γ_j，即△γ_j＝l^T△F_jl；(6)依次计算各构件所对应的重要性系数其中△γ_max为所有△γ_j中的最大值；(7)把z_i按从大到小排序，大于等于某个预先设定的阈值(如0.2)的构件确定为关键构件；(8)按传感器布置原则在关键构件上布置传感器，而其它非关键构件上不需要布置传感器。

进一步的，作为优选：

所述的初始结构有限元模型，可以由常用的有限元软件来建立获得，如Ansys和Matlab等软件，这些软件均可由市场购买得到；所述的初始结构刚度矩阵K，由各单元的刚度矩阵K_j求和得到：