张弦结构健康监测传感器布置优化方法

摘要

传感器布置方案设计是结构健康监测中最为基础性和关键性的环节,好的传感器布置方案,既要满足结构健康监测的要求,尽可能地减小噪声等误差因素的影响来得到结构的真实响应,又要满足现场环境的要求,还需要尽可能地降低成本.针对此问题,提出了一种基于模态置信矩阵的传感器优化布置方法.根据结构的模态振型矩阵,计算得到结构的模态置信度矩阵.基于模态可观测原则,选取模态置信矩阵中非对角元最大值作为评价标准,采用迭代的方法对传感器的布置方案进行优化.具体操作步骤为:1)确定结构健康监测所需要识别的模态数以及所需传感器的数目,根据现场环境确定所有可采取的测点位置;2)选取一组初始传感器测点布置.初始传感器测点布置方案可根据经验确定,初始传感器个数应略少于待识别模态数.计算该组测点所对应的模态置信矩阵并记录其对应的最大非对角元的值;3)在剩余可选测点中选取一个测点增加到当前测点布置方案中,计算新测点方案对应的模态置信矩阵,同时记录模态置信矩阵中的最大非对角元;4)更换所选取的待选测点,重复模态置信矩阵的计算步骤并记录最大非对角元.重复此步骤直至所有待选测点都被计算过.对比所有备选测点所对应的模态置信矩阵最大非大对角元,选择最小的模态置信矩阵最大非对角元对应的测点加入到当前测点布置方案;5)重复3)、4)步骤,直至传感器测点数及模态置信矩阵的最大非对角元满足要求.对一些复杂结构,模态置信矩阵最大非对角元小于0.25.根据以上方法,以张弦梁结构为例建立数值模型,并模拟实际工程环境,进行了传感器优化布置的试算.经试算,该方法的收敛性较好,计算可行性高;该方法可以有效降低传感器布置的经济成本,降低误差因素的影响,提高模态识别的有效性和准确性.同时根据该算例的试算,提出建议:逐步累加法的迭代过程可分为快速下降段、平稳阶段和迭代末段三个阶段,实际传感器的布置方案宜在平稳阶段过程中选取,尽量避免采用迭代末段的结果.