CN105205286B - 一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，包括下列步骤：建立高桩码头有限元模型，计算理论位移模态振型和理论曲率模态振型；计算最佳样本间隔，确定初始测点样本集；对初始测点样本集用有效独立法进行优化进行测点布置；计算各阶曲率模态的控制点，在各控制点处布置测点。本发明的有益效果是：利用最佳样本间隔的计算公式获取有效独立法的初始样本群，在初始样本点的选取上就控制了测量误差上界最小化；利用有效独立法对初始样本群中的测点进行筛选，在控制测量误差上界最小化的基础上，又保证了在最少测点时模态向量间的线性无关性；在理论曲率模态曲线控制点处布置测点保证了对真实模态曲线特征尽可能的准确表达。
Description
技术领域
本发明涉及一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，具体涉及一种基于动力理论通过有限元模型理论模态的计算来指导高桩码头损伤检测测点布置的优化方法。
背景技术
高桩码头是我国码头的主要形式之一，在我国的水运工作中扮演着重要的角色，其所受荷载十分复杂，实际使用过程中易出现损伤，病态的高桩码头成为我国国民生命财产安全的重大隐患。基于动力理论的损伤检测方法是目前损伤检测方法中最有发展前景的一种，应用曲率模态法对损伤能够准确的识别。模态测点布置不理想将对模态的识别造成干扰，模态测点的合理布置是基于动力理论损伤检测方法成功的关键，然而关于高桩码头在这方面的研究较少。
目前关于模态测点优化布置应用最广的方法是有效独立法。有效独立法的基本原理是迭代计算各自由度对模态矩阵秩的贡献的大小，每次迭代删除对模态矩阵秩贡献最小的测点，直到达到要求的测点数目。有效独立算法可以在少量测点的情况下，保证模态向量之间的线性无关性，然而这种方法需要有初始测点群，而初始测点群目前大都依靠经验来选取。
EdwardSazonov于2005年提出了基于曲率模态损伤检测方法的最佳样本点布置间隔的计算方法，该方法在考虑测量噪声的条件下，通过使测量误差的上界最小化来求最佳样本点布置间隔h0，然而通过该方法计算出来的测点数目较多，计算出的测点不一定布置在曲率模态控制点(模态节点、拐点和极值点)上，即由最佳样本间隔法计算出的测点冗余且不能最佳表现出曲率模态曲线的特征。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，基于曲率模态损伤识别法，并通过高桩码头有限元模型的理论曲率模态的计算，结合有效独立法和最佳样本间隔法，再根据理论曲率模态的几何特征进行高桩码头模态分析的测点布置，
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，包括以下步骤：
1)建立高桩码头有限元模型，对该高桩码头有限元模型进行模态分析，确定要提取的模态振型的阶数m，计算高桩码头桩基及面板两侧的理论位移模态振型和理论曲率模态振型；
2)对上述任意一阶理论模态振型计算高桩码头模态分析的最佳样本间隔，确定初始测点样本集；
3)对上述初始测点样本集用有效独立法进行优化，并进行测点布置；
4)计算各阶曲率模态的控制点，所述控制点包括端点、节点、拐点和极值点，在各控制点处布置测点,完成高桩码头模态分析测点布置。
前述的一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，在所述步骤2)中最佳样本间隔的计算步骤如下：
21)设置一系列样本间隔；
22)任取一阶位移模态振型，计算其四阶导数并求出在每一测点局部区域误差的最大值；
23)在整个测线或桩基范围对每一个间隔求出并以最大的F4对应的间隔为最佳样本间隔；式中，hi为第i个有限元节点的样本间隔，为第1阶位移模态第i个有限元节点的位移模态值。
前述的一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，在所述步骤2)中，经过最佳样本间隔计算后布置的测点均匀布置。
前述的一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，在所述步骤3)中有效独立法优化后的测点数加上模态控制点数大于所需提取模态数。
本发明所达到的有益效果：1)通过在理论曲率模态曲线特征点处布置测点以保持实测模态曲线尽可能反映真实的模态，克服了有效独立法和最佳样本间隔法的缺点，优化了传统测点的布置方法；2)利用最佳样本间隔的计算公式获取有效独立法的初始样本群，在初始样本点的选取上就控制了测量误差上界最小化；3)利用有效独立法对初始样本群中的测点进行筛选，在控制测量误差上界最小化的基础上，又保证了在最少测点时模态向量间的线性无关性；4)在理论曲率模态曲线控制点处布置测点保证了对真实模态曲线特征尽可能的的准确表达。
附图说明
图1是本发明实施的流程图；
图2是本发明实施实例的高桩码头结构示意图；
图3是本发明实施实例的高桩码头1号桩优化布置后的测点测得的第二阶曲率模态与第二阶理论曲率模态对比图；
图4是本发明实施实例的高桩码头1号桩优化布置后的测点测得的第三阶曲率模态与第三阶理论曲率模态对比图；
图5是本发明实施实例的高桩码头前沿优化布置后的测点测得的第一阶曲率模态与第一阶理论曲率模态对比图；
图6是本发明实施实例的高桩码头前沿优化布置后的测点测得的第二阶曲率模态与第二阶理论曲率模态对比图；
图7是本发明实施实例的高桩码头后沿优化布置后的测点测得的第一阶曲率模态与第一阶理论曲率模态对比图；
图8是本发明实施实例的高桩码头后沿优化布置后的测点测得的第二阶曲率模态与第二阶理论曲率模态对比图。
附图中的标记含义：
1-1号桩，2-面板，3-横梁,4-实测的曲率模态,5-理论的曲率模态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
附图3-8中的虚点4表示实测的曲率模态，实线5表示理论的曲率模态。
以某港口高桩码头为例。该高桩码头平台长203m，宽23.4m，平均桩长为47m左右，桩基所取混凝土材料密度为2550kg/m3，弹性模量为3.28×1010N/m2，泊松比为0.2，取典型的六排架构成的五跨高桩码头结构为研究对象并对1号桩及码头面板两侧进行模态测点布置优化。
图2是码头结构示意图，码头结构由1号桩1、面板2、横梁3与其他桩组成，对其建立有限元模型，对横梁和桩采用beam188单元建立，面板采用shell181单元，考虑桩的固结深度后的计算桩长为25m。
beam188单元适用于分析细长的梁。beam188在每个节点上有6或7个自由度，自由度数目的变化是由KEYOPT(1)来控制的。当KEYOPT(1)＝0时(默认),每节点有6个自由度,分别是沿x,y,z的位移及绕其的转动。当KEYOPT(1)＝1时,会添加第七个自由度(翘曲量)。此元素能很好的应用于线性(分析)，大偏转，大应力的非线性(分析)。
shell181单元适合对薄的到具有一定厚度的壳体结构进行分析。它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：x,y,z方向的位移自由度和绕x,y,z轴的转动自由度。shell181单元非常适用于分析线性的，大转动变形和非线性的大形变。
图1是将本发明应用于高桩码头测点布置的流程图，包括以下步骤：
步骤1)建立高桩码头排架精确有限元模型，经模态分析获得高桩码头桩基与面板两侧模态振型。
具体步骤如下：用有限元分析软件ANSYS13.0依照该高桩码头的施工图纸建立排架的精确有限元模型，进行模态分析，获得高桩码头桩基与面板两侧前四阶位移模态，以1号桩为例，提取排架的1号桩基第一阶的位移模态振型通过差分计算第一阶位移模态的四阶导数
步骤2)计算出最佳样本间隔。
具体步骤如下：设定一系列测点数n1＝10,n2＝20,n3＝50,n4＝100，每一测点数对应着一个测点布置间隔。在排架的1号桩基全局范围内对每一样本间隔、每一测点计算的值，并取其中为第1阶位移模态第i个有限元节点的位移模态值,
最佳样本间隔h0为最大的F4对应的间隔hi，经计算1号桩最佳样本间隔为h0＝0.25，确定了h0即确定了初始测点群{A}。
步骤3)：将初始测点群经有效独立法进行筛选，得到优化后的测点集{B}，测点集{B}中的测点数目n的确定要考虑到加入曲率模态曲线控制点后的测点数目要大于等于所提取的模态阶数m，对于该排架的1号桩取n＝7，经有效独立法筛选后的测点布置。
步骤4)：通过差分计算各阶曲率模态曲线，并计算各阶曲率模态曲线的控制点，在不与测点集{B}中的点均不重合的控制点处布置测点，完成对高桩码头模态分析测点布置的优化。
按优化后的测点布置进行模态测量，得到桩的曲率模态对比图，见图3和图4，曲率模态对比图由实测的曲率模态4与理论的曲率模态5组成。同理可得到码头前沿与码头后沿的曲率模态对比图，见图5至图8。
与现有技术相比，本方法利用最佳样本间隔的计算公式获取有效独立法的初始样本群，在初始样本点的选取上就控制了测量误差上界最小化；利用有效独立法对初始样本群中的测点进行筛选，在控制测量误差上界最小化的基础上，又保证了在最少测点时模态向量间的线性无关性；在理论曲率模态曲线控制点处布置测点保证了对真实模态曲线特征尽可能的的准确表达。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，包括以下步骤：
1)建立高桩码头有限元模型，对该高桩码头有限元模型进行模态分析，确定要提取的模态振型的阶数m，计算高桩码头桩基及面板两侧的理论位移模态振型和理论曲率模态振型；
2)对上述任意一阶理论模态振型计算高桩码头模态分析的最佳样本间隔，确定初始测点样本集；
3)对上述初始测点样本集用有效独立法进行优化，并进行测点布置；
4)计算各阶曲率模态的控制点，所述控制点包括端点、节点、拐点和极值点，在各控制点处布置测点,完成高桩码头模态分析测点布置；
在所述步骤2)中最佳样本间隔的计算步骤如下：
21)设置一系列样本间隔；
22)任取一阶位移模态振型，计算其四阶导数并求出在每一测点局部区域误差的最大值；
23)在整个测线或桩基范围对每一个间隔求出并以最大的F4对应的间隔为最佳样本间隔；式中，hi为第i个有限元节点的样本间隔，为第1阶位移模态第i个有限元节点的位移模态值。
2.根据权利要求1所述的一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，在所述步骤2)中，经过最佳样本间隔计算后布置的测点均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种高桩码头模态分析测点布置的优化方法，其特征是，在所述步骤3)中有效独立法优化后的测点数加上模态控制点数大于所需提取模态数。
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