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1、第27卷第3期计算力学学报Vol.27,No.32010年6月ChineseJournalofComputationalMechanicsJune2010文章编号:10074708(2010)03048207网壳结构健康监测中的传感器优化布置*孙小猛,冯新,周晶(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,大连116023)摘要:针对网壳结构健康监测提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置的方法。由于模态数目的选取对基于损伤灵敏度分析的传感器优化布置有很大的影响,因此本文建立了一种同时包含模态
2、独立性信息和损伤灵敏度信息的Fisher信息矩阵,并选取合适的模态数目,然后发展了一种以信息矩阵最大和条件数最小为准则的多目标优化算法。空间网壳数值算例表明,本文提出的传感器优化方法能简单、有效地为空间结构传感器优化布置提供可行方案。关键词:网壳;健康监测;传感器;优化布置;损伤识别中图分类号:P315;P916文献标识码:A包含振型信息的Fisher信息矩阵。采用迭代,计算1引言有效独立分布状态向量并排序,删除贡献最小的自近年来,大跨度空间结构迅速发展,其中空间由度,从而优化Fisher信息阵而使感兴趣的模态向网壳具有重量轻、
3、结构合理、造型优美和力学性能量尽可能保持线性无关,最后根据各自由度的模态好等优点,被广泛用于大跨度公共建筑和民用设动能的贡献选取结构前15阶频率和模态振型来进[1]施。然而由于这种结构受载荷作用具有随机性,行数值验证,但是文中并未研究各自由度在模态动发生损伤或者破坏的潜在危险较大,如果发生工程能贡献排序上的选取依据。Heo[6]等提出以运动能事故将导致重大生命和财产损失,因此网壳结构的矩阵最大为优化目标,并选取大跨度桥梁结构的前健康监测日益受到重视。在结构健康监测中,传感6阶模态信息进行优化,得到一组传感器测点。Kim器的数目和位置对于
4、获得结构的准确信息至关重和Park[7]基于有效独立法引入奇异值分解技术,研要。但是由于现场条件和经济成本等方面的限制,究了优化迭代过程中所允许删除的最大自由度数不可能在结构上布置太多的传感器,同时传感器采目,最后选取结构的前10阶模态信息作为目标模态用不同的布设方式对采集信息的准确性以及损伤进行了数值验证。Breitfeld[8]提出使MAC(Modal识别的精确度也有很大的影响。因此,如何在结构AssuranceCriterion)矩阵的非对角线元素值最小来合理的位置上布置有限数目的传感器并获取尽可配置传感器。以上基于模态可观测性的
5、传感器优化[2]能多的信息就成为传感器布设的关键问题。研究,均以目标模态的可观测性或可控性为主要目目前,基于模态分析的传感器优化方法在结构标,但是在优化模型中并不包含模态参数对局部损状态监控、响应预测和系统识别中有着广泛的研伤的敏感性信息,无法反映传感器位置对结构损伤[3][4]究。Lim和Liu主要是以模态信息的Fisher信识别的影响。息阵的某种范数、行列式或者迹的值最大作为优化为了满足结构损伤识别的要求,许多学者研究[5]准则进行优选测点。Kammer提出了有效独立法了以损伤识别为目的的传感器优化方法。CobbEI(Effecti
6、veIndependenceAlgorithm),建立了一种等[9]建议了一种以损伤识别为目的的传感器优化模收稿日期:20080508;修改稿收到日期:20090115型,并采用NASA8跨网架结构的前8阶灵敏度信基金项目:国家自然科学基金(50439010);教育部科学技术[10]息进行传感器优化布置及损伤识别。Shi等建立重大(305003)资助项目作者简介:孙小猛(1980),男,博士;了一种基于损伤灵敏度分析的单元测试矩阵,采用冯新*(1971),男,博士,副教授与有效独立法类似的迭代算法,根据二维桁架结构(E
7、mail:fengxin@dlut.edu.cn);周晶(1949),男,博士,教授的前3阶模态信息进行传感器优化布置及损伤识第3期孙小猛,等:网壳结构健康监测中的传感器优化布置483别。然而,结构损伤灵敏度Fisher信息矩阵的逆矩21模态数目的选取阵不一定存在。因此文献[11,12]基于这种包含损一般来说,网壳结构可以抽象成有质量、阻尼和伤灵敏度信息的优化模型,为了避免求损伤灵敏度刚度矩阵组成的力学系统的数学模型。因此具有nFisher信息矩阵的逆,分解各个自由度对Fisher信自由度网壳结构的运动方程可以表示为
8、息矩阵的贡献,并取其迹的值较大时对应的自由度M{y}+C{y}+K{y}={p(t)}(1)作为优选测点。分析以上国内外相关的研究可知,式中M,C和K分别表示结构的质量、阻尼和刚度矩基于模态可观测性与
