專利名稱：空間坐標監測識別受損索松弛索支座廣義位移的遞進方法
技術領域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，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，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為“索結構”。在索結構的服役過程中， 索結構的支承系統(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，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為“索系統”，但實際上索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)會受損，同時索結構的支座也可能出現廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿X、Y、Z軸的線位移及支座繞Χ、Υ、Ζ軸的角位移；對應于支座廣義位移，支座廣義坐標指支座關于X、Y、Z軸的坐標及支座關于X、Y、Z軸的角坐標)，這些變化對索結構的安全是一種威脅，本發明基于結構健康監測技術，基于空間坐標監測、采用遞進式方法來識別支座廣義位移、識別索結構的索系統中的受損索、識別需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整量，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
支座廣義位移對索結構安全是一項重大威脅，同樣的，索系統通常是索結構的關鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結構的失效，基于結構健康監測技術來識別支座廣義位移和索結構的索系統中的受損索是一種極具潛力的方法。當支座出現廣義位移時、或索系統的健康狀態發生變化時、或者兩種情況同時發生時，會引起結構的可測量參數的變化， 例如會引起索力的變化，會影響索結構的變形或應變，會影響索結構的形狀或空間坐標，會引起過索結構的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(例如結構表面任意一點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結構表面任意一點的法線的角度坐標的變化)，所有的這些變化都包含了索系統的健康狀態信息，實際上這些可測量參數的變化包含了索系統的健康狀態信息、包含了支座廣義位移信息，也就是說可以利用結構的可測量參數來識別支座廣義位移、受損索和松弛索。為了能對索結構的索系統的健康狀態和支座廣義位移有可靠的監測和判斷，必須有一個能夠合理有效的建立索結構的可測量參數的變化同支座廣義位移和索系統中所有索的健康狀況間的關系的方法，基于該方法建立的健康監測系統可以給出更可信的支座廣義位移評估和索系統的健康評估。
發明內容
技術問題本發明公開了一種基于空間坐標監測的、采用遞進式方法的、能夠合理有效地識別支座廣義位移、受損索和松弛索的健康監測方法。技術方案設索的數量和支座廣義位移分量的數量之和為見為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的索和支座廣義位移為“被評估對象”，給被評估對象連續編號，本發明用用變量J·表示這一編號，J‘=l，2，3，···，見因此可以說有#個被評估對象。依據支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為三種情況一是支承
5索受到了損傷，例如支承索出現了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無損傷，但索力也發生了變化，出現這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(此時索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發明專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度)發生了變化；三是支承索并無損傷，但索結構支座有了廣義位移，也會引起結構內力的變化，當然也就會引起索力的變化。為了方便，本發明將自由長度發生變化的支承索統稱為松弛索。本發明由兩大部分組成。分別是一、建立被評估對象健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測索結構的應變(或變形)的被評估對象健康狀態評估方法；二、健康監測系統的軟件和硬件部分。本發明的第一部分建立用于被評估對象健康監測的知識庫和參量的方法?？砂慈缦虏襟E依次循環往復地、遞進式進行
第一步每一次循環開始時，首先需要建立或已建立本次循環開始時的被評估對象初始健康狀態向量i//(i=l，2，3，…)、建立索結構的初始力學計算基準模型Α。(例如有限元基準模型，在本發明中A。是不變的)、建立索結構的力學計算基準模型Ai (例如有限元基準模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發明中字母i僅表示循環次數，即第i次循環。第i次循環開始時需要的索結構“初始健康狀態向量dj” (如式(1)所示)，用dj 表示第i次循環開始時索結構(用力學計算基準模型Ai表示)的索結構的初始健康狀態。
權利要求
1. 一種空間坐標監測識別受損索松弛索支座廣義位移的遞進方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見，統一稱被評估的支承索和支座廣義位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座廣義位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N ；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量j表示這一編號，j = 1,2,3,... ,N；b.確定指定的將被監測空間坐標的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的將被監測的空間坐標分量，給所有被測量空間坐標分量編號；上述編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監測的空間坐標數據”由上述所有被測量空間坐標分量組成；為方便起見，將“結構的被監測的空間坐標數據”稱為“被監測量”;測量點的數量不得小于索的數量；所有被測量空間坐標分量的數量之和不得小于N ；c.利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量f。；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量f。的各元素數值取0 ；向量必的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；用i表示循環次數，i=1,2,3,......；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的初始健康狀態向量f。可以具體化為d1。；d.在建立初始健康狀態向量d1。的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量Citj ；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的被監測量的初始數值向量Citj可以具體化為C1。；在實測得到被監測量初始數值向量C1。的同時， 實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座廣義坐標數據；直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F。；同時，依據結構設計數據、竣工數據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量I。；向量F。和向量I。是不變的；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；支座廣義坐標包括線量和角量兩種；e.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始索結構支座廣義坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Ai ；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Ai可以具體化為A1 ；f.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ACi"和“名義單位損傷向量Di/ ；g.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Ci";給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量Fi ；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離；h.定義當前名義健康狀態向量f。和當前實際健康狀態向量dS兩個損傷向量的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量 < 的元素數值代表對應被評估對象的當前名義損傷程度或支座廣義位移，當前實際健康狀態向量Cli的元素數值代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座廣義位移，兩個損傷向量的元素的元素個數等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系，兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；i.依據“被監測量的當前數值向量Ci"同“被監測量的初始數值向量C1?！?、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ACi"和“當前名義健康狀態向量Cli/'間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除 < 外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義健康狀態向量屮。； j.利用式2表達的當前實際健康狀態向量Cli同初始損傷向量f。和當前名義健康狀態向量C^的元素間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量Cli的所有元素； 當前實際健康狀態向量Cli的元素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際支座廣義位移，根據當前實際健康狀態向量Cli就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實際支座廣義位移；若當前實際健康狀態向量的某一元素對應于是索系統中的一根索， 且其數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛的的，若其數值為100%， 則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力，若其數值介于O和100%之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；如果當前實際健康狀態向量的某一元素對應于一個支座的一個廣義位移分量，那么表示其當前廣義位移數值；k.從第j步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。 1.利用在第j步獲得的當前實際虛擬損傷向量Cli得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當前索力向量Fi,利用在第g步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長度向量I。，利用在第d步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、 與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同；滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然；依據前述力學等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別；計算時所需索力由當前索力向量Fi 對應元素給出；m.在求得當前名義健康狀態向量 < 后，按照式3建立標識向量Bi，式4給出了標識向量Bi的第j個元素的定義；B' = [B； R2 ··· B) ·· · B'Nf 式 33
2.根據權利要求1所述的空間坐標監測識別受損索松弛索支座廣義位移的遞進方法， 其特征在于在步驟f中，在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣Δ Ci"和“名義單位損傷向量Di/的具體方法為fl.在索結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N ；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或廣義位移的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量，就假設該支座在該廣義位移方向再增加單位廣義位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位廣義位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位廣義位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量Di/記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位廣義位移，其中i表示第i次循環，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前數值向量；f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位廣義位移數值，得到一個被監測量變化向量，有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量；f3.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣Δ C全文摘要
空間坐標監測識別受損索松弛索支座廣義位移的遞進方法，考慮到了被監測量的當前數值向量同被監測量的初始數值向量、單位損傷被監測量變化矩陣和當前名義健康狀態向量間的線性關系是近似的，為克服此缺陷，本發明給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成連續的一個個小區間，在每一個小區間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區間內可以利用多目標優化算法等合適的算法快速識別出支座廣義位移、受損索和松弛索。
文檔編號G01M99/00GK102221479SQ20111014354
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者韓佳邑, 韓玉林 申請人:東南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
