[发明专利]一种水工钢闸门传感器布置方法

权利要求书

1.一种水工钢闸门传感器布置方法，其特征在于，所述传感器布置方法包括如下步骤：

步骤1、在水工钢闸门的固有频率与固有振型保持不变的前提下，采用三维建模软件，根据水工钢闸门的实际尺寸建立其三维有限元几何模型，并将该三维有限元几何模型离散为5000个以上的有限单元体；

步骤2、根据水工钢闸门所处的干模态环境或湿模态环境，确定各有限单元体结构的干模态方程：求得各有限单元体结构在干模态下的第i阶固有频率ω_i、各有限单元体结构在干模态下的第i阶振型矩阵Φ_i；进而，得到各有限单元体结构的固有频率与固有振型矩阵其中，模态阶数i为自然数；

或者，确定各有限单元体结构的湿模态方程：求得各有限单元体结构在湿模态下的第i阶固有频率ω′_i、各有限单元体结构在湿模态下的第i阶振型矩阵Φ′_i；进而，得到各有限单元体结构的固有频率与固有振型矩阵

步骤3、根据Fisher信息矩阵2-范数变化率准则，确定模态阶数i；

步骤4、根据有效独立原则，确定各有限元单体结构的初步优化传感器数量、初步优化传感器与初步优化监测点；

步骤5、根据修正模态保证准则，从初步优化传感器中确定各有限元单体结构的最终优化传感器，最终优化传感器对应的监测点为最终优化监测点；

步骤6、各有限单元体结构的最终优化传感器与最终优化监测点共同组成了水工钢闸门的最优传感器及其最优监测点。

2.根据权利要求1所述的一种水工钢闸门传感器布置方法，其特征在于，步骤2中，所述确定各有限单元体结构的干模态状态方程：包括如下具体步骤：

步骤211、无水流作用下，各有限单元体结构的干模态运动方程为：

其中，z(t)为各有限单元体结构的位移向量，为各有限单元体结构的速度向量，为各有限单元体结构的速度向量，M为各有限单元体结构的质量矩阵，K为各有限单元体结构的刚度矩阵，C为各有限单元体结构的阻尼矩阵，f(t)为各有限单元体结构的非水流载荷激励向量；

步骤212、判断各有限单元体结构所承受的阻尼是否为粘性比例阻尼，即：C＝αM+βK：如果是，则忽略该粘性比例阻尼，得到各有限单元体结构的干模态方程：其中，α、β为比例参数。

3.根据权利要求1或2所述的一种水工钢闸门传感器布置方法，其特征在于，步骤2中，所述确定各有限单元体结构的湿模态方程：包括如下具体步骤：

步骤221、基于水流作用下的附加质量，各有限单元体结构的流固耦合运动方程，即，各有限单元体结构的湿模态运动方程，如下：

其中，M_l为水流施加于各有限单元体结构的附加质量矩阵，f_l(t)为各有限单元体结构的水流载荷激励向量；

步骤222、判断各有限单元体结构所承受的阻尼是否为粘性比例阻尼，即：C＝αM+βK：如果是，则忽略该粘性比例阻尼，得到各有限单元体结构的湿模态状态方程：

4.根据权利要求3所述的一种水工钢闸门传感器布置方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤31、计算Fisher信息矩阵2-范数变化率其中，Fisher信息矩阵

步骤32、当ROC≤0.05时，Fisher信息矩阵Q_i对应的模态阶数即为i的取值。

5.根据权利要求4所述的一种水工钢闸门传感器布置方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤40、预先设定的传感器数量m；传感器与安装传感器的监测点具有一一对应关系；其中，1≤m≤i；

步骤41、计算各阶干模态或湿模态下的独立分布状态向量其中，G_j为幂等矩阵，其对角线上的第k个元素g_jkk表示在j阶模态下第k个传感器对模态振型矩阵秩的贡献度；1≤k≤i；，j＝1,2,…,i；

步骤41、将预先设定的传感器数量m作为初步优化传感器数量；

步骤42、从独立分布状态向量G_j中选取对模态振型矩阵秩的贡献度最大的m个元素，该m个元素对应的传感器即为初步优化传感器，各初步优化传感器对应的监测点即为初步优化监测点。