[发明专利]一种基于模型质量重分配的传感器布置优化方法

说明书

本发明实施例公开了一种基于模型质量重分配的传感器布置优化方法。本发明在迭代计算中删除最小有效独立系数所对应结构体系中的节点，并对所删除节点位置的质量进行重新分配，进而建立新的有限元模型，使得每次参与迭代计算的结构目标模态都能充分考虑结构体系质量分布变化的影响，从而使结构目标模态更能反映真实的结构情况。因此这一传感器布置优化算法能获得更优的布置方案，从而在结构健康监测中获取更有效的结构特性信息。通过本发明得到的传感器布置方案能够有效地避免传感器在结构上布置位置的过于集中，使得测量中传感器所获信息更加全面，同时有效信息更为丰富。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于模型质量重分配的传感器布置优化方法。

背景技术

传感器布置优化是结构健康监测中的基本问题。随着近年来结构健康监测技术在结构安全性评估中的广泛应用，传感器的优化布置也越来越受到人们的关注。传感器作为获取结构信息的接受装置，如果布置不当则会影响所接受信息的有效性以及监测结果的准确性。在实际工程中不合理的传感器布置方案轻则导致大量传感器的低效运行而造成经济上的损失，重则导致重要的结构损伤、结构特性变化没有被监测到而造成安全事故甚至人员伤亡。现有大型基础设施中，杭州湾大桥上布置的各类传感器共计约195个、香港青马大桥上各类传感器则多达300余个。可见，尽管这些大型结构上所布置的传感器众多，但是相比于这些结构全部节点而言传感器数量则显得微乎其微。之所以不能在结构所有节点上布置传感器，主要是由于经济以及结构自身构造的限制。因此，如何有效进行传感器的布置，尽可能多的反馈结构运行状态的同时又能降低布置成本就显得尤为重要。

传感器布置的优化问题就是从结构所有可能测点位置出发，通过对测点的选择使某种目标函数得到最优解。目标函数的最优解则可以理解为，结构最终布置了传感器的测点位置所反馈的结构特性诸如结构固有模态、频率等最接近结构真实的结构特性。针对这一问题，国内外学者已经进行了大量的研究。其中，由Kammer提出的有效独立法是目前应用较为广泛的一种传感器布置优化方法。该方法以传感器布置点所测结构模态矩阵的线性独立性作为衡量传感器布置位置好坏的依据。并通过有效独立系数作为目标函数来量化各节点对目标模态矩阵线性独立性的贡献大小。由于结构中的各节点即相当于目标模态矩阵中的各行，所以各节点对目标模态矩阵独立性的贡献也可以理解为各行对目标模态矩阵独立性的贡献。迭代计算过程中依次删除对目标模态矩阵线性独立性贡献值最小的行，从而优化结构目标模态矩阵，使得目标模态矩阵中的列向量彼此尽可能保持最佳的线性独立性。

尽管有效独立法在传感器优化布置中得到了广泛的应用，但是这一传感器布置优化方法仍存在着以下问题：

(1)该方法通过迭代计算来优化结构的目标模态矩阵时，仅对每次迭代之前目标模态矩阵中线性独立性贡献最小的行做简单删除处理，也即对结构中相应的节点进行了删除处理。而没有考虑到节点变化造成的结构质量分布改变对于目标模态矩阵的影响。这就使得该方法用于每次迭代计算中的目标模态矩阵不能反映结构真实的模态信息，从而造成传感器布置结果的偏差。

(2)利用该方法计算得到的传感器布置结果，传感器往往会在某一区域过于集中而造成所测得信息的重复、冗余。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于模型质量重分配的传感器布置优化方法。可有效地避免传感器在结构上布置位置的过于集中，使得测量中传感器所获信息更加全面，同时有效信息更为丰富。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于模型质量重分配的传感器布置优化方法，包括以下步骤：

第一步、对于所需布置传感器的结构物，可以包括桥梁、房屋、大型机械等结构物，以下简称为目标结构。首先对目标结构建立结构体系的有限元模型，利用有限元软件中得到的目标结构质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]，求得目标结构的固有模态矩阵；