[发明专利]一种屋盖卸载过程中变形、应力同步控制方法

权利要求书

1.一种屋盖卸载过程中变形、应力同步控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、有限元分析：对已安装钢结构进行有限元分析，获取已安装钢结构的初始受力状态，包括钢结构的应力分布和位移分布；

步骤2、确定初始传感器布设节点：采用基于概率的方法优化传感器的数量及布设位置；

步骤3、确定传感器最优截面布设位置：采用多尺度方法建立结构多尺度模型，根据步骤二中的传感器布设节点优化方法确定传感器最优截面布设位置；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21、基于鲁棒性方法确定传感器布设的若干个关键节点：

根据钢结构有限元分析结果，选取构件或节点应变能比较大的节点作为关键节点或杆件；

钢结构分为多个节点和杆件，在初始状态下选取所有杆件或节点，通过重复删除每根杆件，假如当前删除第i根杆件，通过下列公式计算I_mn、J_m的具体值，删除每根杆件都有一个特定的I_mn、J_m，通过排列，对于I_mn、J_m比较大的杆件或节点，认为此节点为结构的关键节点或杆件，I_mn、J_m计算方式如下：

钢结构处在弹性阶段时，根据能量守恒原理，假定外荷载所做功之和等于内部应变能的增长，则节点或杆件的应变能向量U可表示如下：

U＝0.5F^TD (1)

式中，U为节点或杆件的位移向量，F为节点或杆件的外力向量；

其中：

D＝K^-1F (2)

F＝F_maxV (3)

式中，V为荷载分布向量，F_max为最大荷载数，K为结构刚度矩阵；

将式(2)、(3)带入式(1)中可得：

U＝0.5F_maxV^TK^-1V (4)

定义K_stru为结构的广义刚度，且满足因此在考虑外力作用下，结构应变能可改写成如下形式：

引入结构重要性系数I：

I＝1-K_stru'f/K_stru'0 (6)

式中，K_stru'0表示无构件失效情况下的广义刚度，K_stru'f表示有构件失效情况下的广义刚度；

对(5)式进行求逆，可得：

再将(7)式带入(6)式可得重要性系数与结构应变能的关系：

I＝1-U₀/U_f (8)

式中，U₀无构件失效情况下的结构应变能，U_f有构件失效情况下的结构应变能；

由于与节点相连的构件越多，其重要性越大，因此节点的重要性系数定义如下：

式中，J_m为第m个节点的重要性系数；I_mn为第n根构件的重要性系数，_am为与第m个节点相连的构件总数；

步骤22、基于概率优化方法从步骤21中的若干个关键节点中确定最终传感器布设节点；

假定每一个传感器在实际应用中是一个概率覆盖模型，覆盖半径为r，基于概率的优化算法目的是为了将传感器布设在能够覆盖到最多结构响应信息的地方，节点被传感器所监测到的概率受到结构反应和传感器和其能检测到的节点的空间距离的影响，随着传感器和其能检测到的节点间距离d的增加，节点被传感器所监测到的概率逐渐降低，利用结构响应与空间距离，可得到概率P_ij的计算式：

式中，P_ij表示当在节点j布设传感器时，节点i能被监测到的概率大小；u_i、u_j表示假如在节点j布设传感器时，节点j、i当前的结构响应信息；u_max、u_max表示结构响应信息的最大和最小值；d_ij为节点i和节点j的空间距离；

假定在节点i处设置传感器，测得结构响应信息为u_i，则假设节点j处可推导出的结构响应信息u_j的概率为P_ij：

若P_ij≥1，则舍去此P_ij的值

结合式(9)和(10)，可确定出监测半径r的范围为：

由于共有N_p个可配置传感器的关键节点，则P_ij的个数有个，在计算r时需满足：1、节点i、j之间的距离d应确定一个上限；2、若r超过结构整体长度即舍去此r值；

假定结构具有n*个节点，m*个传感器，对于节点i而言，所有传感器同时监测到节点i的联合概率密度p_i为：

则优化问题的目标函数即可定义如下：

对不同的节点，利用上式进行重复计算，即可获取每个节点相应的联合概率密度，再对所有节点的监测概率大小进行排序，在满足传感器优化目标N之前的所有节点进行保留，其余节点进行删除；

当优化目标达到预设值N时，计算相应的联合概率值P_N；同时优化目标更新至N+1，重复计算式(13)～(14)，如果P_N+1P_N，则删除P_N，保留P_N+1，并继续更新N+2，直至优化目标N达到结构自由度上限，若N+2为结构自由度上限，则N+2即为最终传感器布设节点个数；

所述步骤3具体包括以下内容：

根据已获取的最优布置测点，在布置测点一定范围内的有限元模型中建立细部模型，其余远离测点处仍采用传统的宏观杆系模型，然后根据应力连续法进行不同尺度的耦合形成多尺度有限元模型，其中节点应力传递函数需满足下式(15)、式(16)和式(17)，从而满足位移或应力的连续性，保证整个结构的稳定性；

(1)轴向约束式

假定合理屋盖结构划分网格后，单元在连接面呈现的近似为一维线性梁单元，两个端点分别定义为a与b，式中，A为跨尺度界面实体单元或壳体单元的截面面积，l_i为第i个单元的长度，t为截面厚度，M为单元数量，u_zi,a为第i个单元a端点的轴向位移，u_zi,b为第i个单元b端点的轴向位移，N_zi,a为第i个单元a端点的形函数，N_zi,b为第i个单元b端点的形函数，ξ为一维拉格朗日中的参数，-1ξ1；

(2)剪切约束式

其中，I_zz为截面对z轴的惯性矩，θ为截面划分网格单元形心与截面形心的夹角，l_ix为第i个单元长度在x轴的投影，l_iy为第i个单元长度在y轴的投影，为x向分解后的面积静矩，为y向分解后的面积静矩，N_xi,a为第i个单元a端点的形函数，N_xi,b为第i个单元b端点的形函数，u_xi,a为第i个单元a端点的x向位移，u_xi,b为第i个单元b端点的x向位移，u_yi,a为第i个单元a端点的y向位移，u_yi,b为第i个单元b端点的y向位移；

(3)扭转约束式

其中，I_yy为截面对y轴的惯性矩；

节点应力传递函数满足上述三式之后，根据如下三个步骤确定节点最终布设传感器截面位置：

步骤31，在N个节点处一定范围内建立实体单元模型，超出范围外仍保持为梁单元模型；

步骤S32，在建立多尺度模型后，再采用步骤2中的传感器优化方法，在每个节点的各侧布设传感器后，并计算传感器在各侧相应的概率结果；

步骤S33，选取在节点不同侧布设传感器时，概率最大的一侧作为传感器最终选定的截面位置；

步骤4、获取钢结构变形、应力实时数据：采用传感器获取在落架过程中，钢结构的实时变形、应力数据，保证钢结构的安全；

步骤5、实时更新有限元模型：基于步骤四获取的实时数据更新有限元模型；

步骤6、预测下一卸载阶段的变形、应力数据：基于步骤五更新后的有限元模型预测下一卸载阶段的变形、应力数据；

步骤7、更新卸载方案：根据步骤六的预测结果更新卸载方案，并在应力和变形接近阈值的构件处及时采取加固措施。