專利名稱：支座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在有支座廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿χ、γ、ζ軸的線位移及支座繞x、Y、z軸的角位移；對(duì)應(yīng)于支座廣義位移，支座廣義坐標(biāo)指支座關(guān)于X、Y、Z軸的坐標(biāo)及支座關(guān)于X、Y、Z軸的角坐標(biāo))時(shí)，本發(fā)明公開了一種遞進(jìn)式方法、基于空間坐標(biāo)監(jiān)測來識(shí)別索結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱為“索系統(tǒng)”，但實(shí)際上索系統(tǒng)不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)中的受損索(對(duì)桁架結(jié)構(gòu)就是指受損的僅承受拉伸載荷的桿件)的方法，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識(shí)別索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的桿件)是一種極具潛力的方法。索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化后，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化，例如索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，實(shí)際上空間坐標(biāo)的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于空間坐標(biāo)監(jiān)測(本發(fā)明將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)稱為“被監(jiān)測量”，后面提到“被監(jiān)測量”就是指被監(jiān)測的空間坐標(biāo)) 來識(shí)別受損索，被監(jiān)測量除了受索系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響外，還會(huì)受索結(jié)構(gòu)支座廣義位移(常常會(huì)發(fā)生)的影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)和方法解決了此問題。在有支座廣義位移時(shí)，為了能對(duì)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一個(gè)能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)的變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關(guān)系的方法，基于該方法建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在索結(jié)構(gòu)支座有廣義位移時(shí)，針對(duì)索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測問題，提供一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的、能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中支
座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)及實(shí)測索結(jié)構(gòu)支座廣義位移的索系統(tǒng)遞進(jìn)式健康狀態(tài)評(píng)估方法；二、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和參量的方法，以及基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)及實(shí)測索結(jié)構(gòu)支座廣義位移的索系統(tǒng)遞進(jìn)式健康狀態(tài)評(píng)估方法?？砂慈缦虏襟E依次循環(huán)往復(fù)地、遞進(jìn)式進(jìn)行，以獲得更準(zhǔn)確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估。第一步每一次循環(huán)開始時(shí)，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開始時(shí)的索系統(tǒng)初始損傷向量i// (i=l，2，3，…)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在本發(fā)明中A。是不變的)、建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Α"。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在每一次循環(huán)中Α"。是不斷更新的)、建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai(例如有限元基準(zhǔn)模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號(hào)的地方外，在本發(fā)明中字母 i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)。設(shè)索系統(tǒng)中共有#根索，第i次循環(huán)開始時(shí)需要的索系統(tǒng)初始損傷向量記為 //(如式(1)所示)，用表示該次循環(huán)開始時(shí)索結(jié)構(gòu)(用力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種支座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，其特征是該方法包括a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標(biāo)的被測量點(diǎn)，給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定過每一測量點(diǎn)的將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)分量，給所有被測量空間坐標(biāo)分量編號(hào)；上述編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上述所有被測量空間坐標(biāo)分量組成；為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱為“被監(jiān)測量”；測量點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被測量空間坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量 d1。；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷狀態(tài)時(shí)，向量d1。的各元素?cái)?shù)值取0 ；本步中Cl10的上標(biāo)1表示第一次循環(huán)，關(guān)于循環(huán)次數(shù)的表示方法在步驟f中具體說明；d.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量Cl10的同時(shí)，直接測量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測量，組成“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1。” ；本步中C1。的上標(biāo)1表示第一次循環(huán)，關(guān)于循環(huán)次數(shù)的表示方法在步驟f中具體說明；e.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1。和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1。的同時(shí)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)，實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；f.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。，建立初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U。，建立第一次循環(huán)開始時(shí)需要的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A1 ；本步中A1的上標(biāo)1表示第一次循環(huán)；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)，該實(shí)測數(shù)據(jù)包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測數(shù)據(jù)，索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和竣工圖，利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對(duì)該索結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5% ；對(duì)應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U0 ；A。 和U0是不變的，只在第一次循環(huán)開始時(shí)建立；第i次循環(huán)開始時(shí)建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型記為Ai,其中i表示循環(huán)次數(shù)；本發(fā)明的申請(qǐng)書中字母i除了明顯地表示步驟編號(hào)的地方外，字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)；因此第一次循環(huán)開始時(shí)建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型記為A1，本發(fā)明中A1就等于A。；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"?！?，在每一次循環(huán)中Ati0根據(jù)需要會(huì)不斷更新，每一次循環(huán)開始時(shí)，Ati0等于Ai ； 同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量U"”，在每一次循環(huán)中，不斷實(shí)測獲得索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量U"，向量Uti的元素與向量U。相同位置的元素表示相同支座的相同方向的廣義坐標(biāo)；為敘述方便起見，對(duì)于第i次循環(huán)，將上一次更新Ati0時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。；第一次循環(huán)開始時(shí)，Atl0等于A1，Utl0等于U。；支座廣義坐標(biāo)包括線量和角量兩種；g.實(shí)測獲得索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量U"，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量U"，在必要時(shí)更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。；h.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi名義單位損傷向量Diu ；i.實(shí)測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實(shí)測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C1”。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；j.定義索系統(tǒng)當(dāng)前名義損傷向量 < 和當(dāng)前實(shí)際損傷向量dS損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；k.依據(jù)“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量Ci"同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量ci。”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi"和“當(dāng)前名義損傷向量屮。”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除f。外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義損傷向量屮。；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟g中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量U"，在必要時(shí)更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。的具體方法為gl.實(shí)測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti等于 U"。，則不需要對(duì)A"。進(jìn)行更新；g2.實(shí)測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測支座廣義坐標(biāo)向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti不等于 U"。，則需要對(duì)A"。進(jìn)行更新，更新方法是先計(jì)算Uti與U0的差，Uti與U0的差就是當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立A。時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座的當(dāng)前支座廣義位移，用當(dāng)前支座廣義位移向量V表示支座廣義位移，當(dāng)前支座廣義位移向量V中的元素與支座廣義位移分量之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前支座廣義位移向量V中一個(gè)元素的數(shù)值對(duì)應(yīng)于一個(gè)指定支座的繞一個(gè)指定方向的廣義位移；更新A"。的方法是在A。的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量屮。， 再進(jìn)一步對(duì)Α。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座廣義位移約束，當(dāng)前支座廣義位移約束的數(shù)值就取自當(dāng)前支座廣義位移向量V中對(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座廣義位移約束后，最終得到的就是更新的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"。，更新A"。的同時(shí)，Uti0所有元素?cái)?shù)值也用Uti所有元素?cái)?shù)值代替，即更新了 U"。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于A"。的 U"。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A"。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi和名義單位損傷向量Diu 的具體方法為h 1.在第i次循環(huán)開始時(shí)，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi和名義單位損傷向量Diu;在其它時(shí)刻，當(dāng)步驟g中對(duì)A"。進(jìn)行更新后， 必須按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣Δ Ci和名義單位損傷向量Diu，如果在步驟g中沒有對(duì)A"。進(jìn)行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進(jìn)行后續(xù)工作；h2.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Α"。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)“被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量”；當(dāng)假設(shè)第j根索有單位損傷時(shí)，可用C、表示對(duì)應(yīng)的“被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量”;在本步驟中給各向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本方法中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素， 表達(dá)了同一被監(jiān)測量或同一對(duì)象的相關(guān)信息；h3.每一次計(jì)算得到的那個(gè)“被監(jiān)測量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量Cit/減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cit/'得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的單位損傷值后得到一個(gè)“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δ Ci/'；有N根索就有N個(gè)“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；h4.由這N個(gè)“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi";“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi"的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”的列的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義損傷向量 < 和當(dāng)前實(shí)際損傷向量Cli的元素編號(hào)規(guī)則相同。
全文摘要
支座廣義位移時(shí)空間坐標(biāo)監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進(jìn)式健康監(jiān)測方法基于空間坐標(biāo)監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)來決定是否需要再次更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，考慮到了被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣和當(dāng)前名義損傷向量間的線性關(guān)系是近似的，為克服此缺陷，本發(fā)明給出了使用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，將大區(qū)間分割成連續(xù)的一個(gè)個(gè)小區(qū)間，在每一個(gè)小區(qū)間內(nèi)上述線性關(guān)系都是足夠準(zhǔn)確的，在每一個(gè)小區(qū)間內(nèi)可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以比較準(zhǔn)確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號(hào)G01M99/00GK102252864SQ20111014566
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者吳志友, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)