集成有限元分析模型修正技术的健康监测系统

摘要

本发明公开了一种集成有限元分析模型修正技术的健康监测系统，该系统由感器系统(SS)、数据采集与传输系统(DATS)、数据处理与控制系统(DPCS)、结构健康评估系统(SHES)、巡检养护系统(IMS)和有限元分析模型修正系统(MUS)六部分组成。有限元分析模型修正系统(MUS)由建立初始基准有限元分析模型、修正的有限元分析模型两大部分组成，该健康监测系统在不封闭交通的情况下进行有限元分析模型修正的功能，能够提供准确可靠的有限元模型分析结果。

说明书

技术领域

本发明属于有限元分析模型修正领域，涉及一种集成有限元分析模型修正技术的健 康监测系统。

背景技术

有限元建建模及模型修正是桥梁健康监测系统的核心技术之一，更是桥梁健康监测 系统其它核心技术(包括结构动力分析、损伤识别、安全评定及预警)不可或缺的前提 和基础。有限元分析模型是对实际结构进行数值化模拟，依靠一系列的数学公式手段“反 演”结构的真实行为。建立的有限元分析模型必须是结构原型的数学和物理的代表，这 样才能为结构在各种工况下的响应提供全面的信息。如何使所建有限元模型全面、可信 地反映结构状态是当前主要研究的问题。

基准有限元分析模型是一个经过现场试验验证，且能够全面、正确反映结构真实行 为的、可靠的、完整的计算模型，在结构健康监测系统中占有重要部分。将基准有限元 分析模型的正演分析与监测信息的反演识别相结合，可以实现对桥梁结构日常工作状态、 安全健康性能以及各种灾害对结构影响的分析和评估。一个健康监测系统的损伤识别子 系统无论是否包含有限元分析模型，对桥梁结构建立有限元分析建模进行分析是构建健 康监测系统必不可少的一个步骤。

传统建立基准有限元分析模型的方法是依据现场试验检测得出的数据，进行模型修 正。该方法要求必须在明确所加荷载的前提下进行试验，要严格地控制所加静止荷载的 条件，加载时不仅耗费大量的人力物力，而且必须终止结构正常的工作状态。由于传统 建立基准有限元分析模型的方法成本高，费时费力，因而健康监测系统中所用的基准有 限元分析模型在此之后不再进行修正。在实际情况中，随着结构的运营，实际桥梁结构 由于发生损伤、结构构件老化等原因的影响产生功能退化的现象，起初建立的基准有限 元分析模型可能已经不能够全面、正确反映结构的真实状态，使得健康监测系统得出的 分析数据与实际结果的误差逐渐变大，最终将导致健康监测系统得出的结论与实际结果 不符，因此有必要对有限元分析模型进行再次修正。

发明内容

为了克服现有技术中存在的以上缺陷，本发明公开了一种集成有限元分析模型修正 技术的健康监测系统，该系统由感器系统(SS)、数据采集与传输系统(DATS)、数据 处理与控制系统(DPCS)、结构健康评估系统(SHES)、巡检养护系统(IMS)和有限 元分析模型修正系统(MUS)六部分组成。与传统健康监测系统相比，本发明提供了有 限元分析模型修正系统(MUS)。其特征在于，有限元分析模型修正系统是基于综合运 用先验知识、荷载试验、健康监测数据和损伤反馈四方面信息，在无需封闭交通进行专 门检测或荷载试验的情况下，结合使用MATLAB编程优化算法，修正结构健康监测系统中 的有限元分析模型。

为了避免混淆，将依据成桥荷载试验数据修正得到的有限元分析模型称为初始基准 有限元分析模型，对其的修正称为有限元分析模型的修正。

一般来说，基准有限元分析模型是一个经过试验验证了的分析模型，本发明依靠健 康监测系统本身的监测数据实现系统有限元分析模型修正。本发明提供的四方面特征信 息如下：

先验知识，指的是依据现有的建模经验对实际结构的建模模型进行简化信息、修正 参数的选取信息、先验病害数据库等等，如边界条件的处理，单元连接的处理、同跨度 同类型桥梁的病害数据库等。

荷载试验信息，包括成桥之后进行的荷载试验数据以及施工过程中的施工监控数据， 这是桥梁在运营之前接近“无损”状态最准确的信息，目前的研究多集中于基于荷载试 验数据的桥梁结构有限元模型修正。依据成桥荷载试验数据修正得到的基准有限元分析 模型为初始基准有限元分析模型。

监控数据信息，包括健康监测系统运用中实时监测得到的结构运营数据，以及人工 巡检得到的补充数据。监控数据信息提供有限元分析模型修正所需要的数据，以及提供 验证有限元分析模型修正结果的数据。

损伤反馈，是基于结构健康监测系统得出的损伤信息结合人工巡检得到的实际损伤 信息，修正选择的参数，“逆向”对结构基准有限元分析模型进行修正。损伤反馈信息决 定这有限元分析模型是否需要修正，同时与经验病害数据库信息相结合，决定修正参数 的修正范围。

其技术方案为：

本发明一种集成有限元分析模型修正技术的健康监测系统的有限元分析模型修正系 统(MUS)由三大部分组成。分别是：一、建立被评估对象健康监测系统所需要的先验 知识库(含修正参数、经验病害数据库等)，结合成桥荷载试验数据建立初始基准有限元 分析模型；二、设置损伤权重评价体系，当发生的损伤的严重性影响到系统中有限元分 析模型的计算精度时，进行类似于阈值设置的预警，提醒监测人员需要进行有限元模型 修正，由相关人员进行简单的操作，使系统自行进行再次修正。三、健康监测系统的软 件部分，将模型修正过程采用MATLAB编程集成与健康监测系统中，因此先期的编程 准备工作非常重要，关系到系统自动修正有限元分析模型的效率和精度。

本发明的有益效果：

本发明的健康监测系统中修正有限元分析模型省时省力，综合运用既有信息，包括 先验知识、施工监控、荷载试验、健康监控数据和损伤反馈五方面的信息，特别是充分 利用了健康监测系统中的监测数据信息，实现系统自动对有限元分析模型的再次修正。

附图说明

图1为基于四位一体信息的桥梁结构有限元分析模型修正概括图。

图2为本发明技术方案实施思路图。

图3为MATLAB与有限元分析软件结合实现方式流程图。

图4为本系统模型修正过程总体框架。

具体实施方式

下面结合附图和本发明实施例作进一步详细地说明。

图1显示了本系统的总体框架，传统健康监测系统包括传感器系统(SS)、数据采 集与传输系统(DATS)、数据处理与控制系统(DPCS)、结构健康评估系统(SHES) 和巡检养护系统(IMS)五个部分，本系统在此基础之上加入了有限元分析模型修正系 统(MUS)，实现了有限元分析与实测数据相结合进行结构健康监测的目的。损伤识别 和状态评估均依靠结构的模态信息，本健康监测系统中传感器系统(SS)中传感器的布 置除应满足传统健康监测系统的要求外，还应按照有限元模型修正所需要的数据要求布 置。数据采集与传输系统和数据处理与控制系统可采用传统健康监测系统的构建方法构 建。有限元分析模型修正系统(MUS)为本发明的核心方案。

以下重点阐述本发明的核心技术方案有限元分析模型修正系统(MUS)。有限元分 析模型修正系统(MUS)由建立初始基准有限元分析模型、修正的有限元分析模型两大 部分组成，下面结合附图2～4对本发明做进一步说明。

首先参照图2，本发明有限元分析模型修正系统(MUS)的方案技术思路，即基于 “四位一体”的桥梁结构基准有限元分析模型修正。有限元分析模型修正图框左侧的“先 验知识、荷载试验”信息对应建立初始基准有限元分析模型及由先验知识建立后续的知 识库两方面内容；右侧“损伤反馈、监测数据”信息对应基准有限元分析模型的修正内 容，为本发明的核心技术方案。左侧提供基础信息，即形成了初始基准有限元分析模型 及提供后了续模型修正所需要的经验病害数据库、修正参数等基础信息；右侧则在此基 础上依据实时损伤发生的状况进行判定和再次对有限元分析模型进行修正。

现以图3图4所示操作过程详细说明本发明所述有限元分析模型修正系统(MUS) 的内容。

第一步依据先验知识及成桥荷载试验建立初始基准有限元分析模型，同时建立构建 先验知识库。先验知识库包括如结构参数、刚度矩阵、损伤指标等，这些是可以作为修 正参数的优化变量。建立经验病害数据库是提供桥梁可能发生损伤的位置、损伤程度等 方面的信息，为系统后续构建优化目标函数提供依据。

第二步，损伤发生后，当损伤累计到一定程度，初始基准有限元分析模型得出的理 论分析结果与实测结果出现势必出现误差，依据理论分析得到的分析结果与结构实际物 理参数不符。此时，在原先健康监测系统中加入损伤评价系统，负责评价损伤程度对基 准有限元分析模型理论分析数据的影响。这套体系可以采用误差容许准则，如最小二乘 准则、极大似然估计准则等准则。当误差超过允许值，超过预先设定的“阈值”，系统 发出预警，告知管理人员实际结构的损伤已经影响到基准有限元分析模型分析精度。由 管理人员视情况决定是否启动模型修正程序。

第三步，启动模型修正程序，基准有限元分析模型是一个经过试验验证了的有限元 模型，此处，试验验证数据采用健康监测系统的监测数据。与成桥荷载试验不同的是， 此时不封闭交通，荷载输入是未知的，基于结构静态数据的有限元分析模型修正不适用 于此，因此运用健康监测系统中传感器系统监测结构竖向、横向和纵向自振特性(自振 频率、阻尼比和振型)以及全桥斜拉拉索的索力等数据，采用环境激励(如随机车辆交 通、风荷载、行人荷载等荷载及其组合)获得结构振动模态。模型修正过程启动后，系 统从健康监测数据库中提取振动模态信息，形成优化目标函数。

第四步，进行有限元分析模型修正。模型修正过程其实是一个优化过程。优化过程 如图4所示。修正参数及目标函数均预先设置在先验知识库中。针对同等类型的桥梁， 编制适应各自类型的目标函数MATLAB程序，集成在健康监测系统中。在系统提取振 动模态信息后，数据信息被传递给数学工具软件MATLAB，由预先编制的MATLAB程 序形成目标函数，并根据管理人员指定的优化算法进行优化。判别准则采用模态置信准 则等误差判别准则。若满足判别准则，表示优化完成，MATLAB程序将优化结果反馈给 有限元分析软件，修改有限元分析模型中的参数，系统再次启动有限元分析模型进行分 析，将得到的理论分析数据与先前提取的数据对比，若满足误差要求，结束有限元分析 模型修正过程，形成的有限元分析模型即为新的基准有限元分析模型。当新的损伤再次 发生达到“阈值”之后，重复上述步骤。

以上所述，仅为本发明所述方法较佳的实施方式。本发明的保护范围不限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方 案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。