CN107330133B - 一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法 - Google Patents

一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动力学试验技术领域，提供了一种于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，包括采用Delta函数表示应变传感器有无的步骤；施加的冲击荷载作用点随机移动，进行瞬态响应分析的步骤；以及以传感器总数最小化和冲击响应的应变总和2‑范数最大化为优化目标，运用遗传优化算法，获得所述应变传感器较佳布置方案的步骤。本发明的有益效果为：将Delta函数用来表征应变传感器的有无，方法实用；基于遗传算法，冲击载荷作用点可在蒙皮节点之间随机移动，使得应变传感器优化布置结果具有普适性；优化目标简单，容易定义和描述；较传统传感器布置数目节省至少一半的传感器。

Description

一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法
技术领域
本发明涉及动力学试验技术领域，特别涉及一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法。
背景技术
在振动冲击实验中，首先要确定传感器测试点的位置，而实验中所布设的测试点数远小于结构的自由度数，如何布设有限个传感器，从含噪声的信号中实现对结构状态改变信息的最优采集，获取尽可能多的结构特性和结构响应的信息，是复杂工程结构试验传感器优化布置的有效实施的关键技术之一。
如传感器布置不适当将影响识别参数的精度；另外，从经济方面考虑，应尽可能少地用传感器。因此，确定传感器的最优布置，具有重要的实用价值。
进行传感器的优化布置，首先要确定合理的、能反映测试要求的优化布置准则。目前，常用的优化布置准则有：模态动能法(MKE)；有效独立法(EI)；Guyan模型缩减法、奇异值分解法、基于广义遗传算法(GGA)的优化。
通用的传感器优化布置实施的过程，包括传感器布设位置的编码以及控制参数、目标函数和评价指标的选取；运用了遗传算法目标函数类型、监控振型数量等因素对优化布置方案的影响，使用Gramian矩阵行列式值、MAC矩阵非对角元均方根、MAC矩阵非对角元最大值、Gramian矩阵元素以及模态应变能等可行的优化布置方案，最终找到传感器的优化布置与较佳的传感器位置。
通用的传感器优化布置实施流程较繁琐(大量的矩阵运算)，考虑的多为模态振动的相关因素。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，通过瞬态响应分析，获得多种较佳的传感器布置(选址)方案。
本发明一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，包括：
采用Delta函数表示应变传感器有无的步骤；
施加的冲击荷载作用点随机移动，进行瞬态响应分析的步骤；以及
以传感器总数最小化和冲击响应的应变总和2-范数最大化为优化目标，运用遗传优化算法，获得所述应变传感器较佳布置方案的步骤。
进一步的，具体包括如下步骤：
步骤一、将机翼蒙皮离散为多个单元，建立材料和单元特性，并将机翼梁、长桁肋折算成梁元；
步骤二、在机翼根部固支，机翼的单元节点处施加1个单位冲击荷载，作用时间0.～0.002s，运用基于模态叠加的瞬态响应分析，按时间增量△t＝0.0001s请求输出81个结果，在结果中提取某个时刻机翼每个单元响应的最大应变Si，其中i＝1-n，n为单元个数；
步骤三、以传感器总数最小化和冲击响应的应变总和2-范数最大化为优化目标，运用遗传优化算法，获得所述应变传感器较佳布置方案。
进一步的，步骤一中，将机翼蒙皮离散为120个单元。
进一步的，步骤三的具体实现方法为：
步骤3.1定义机翼每个单元有一个传感器，则共有num个传感器：
步骤3.2定义Delta函数表示传感器的有无施加，即
步骤3.3定义传感器测量到的应变(应变能或加速度等)总和2-范数
其中，n为单元个数；
步骤3.4定义设计变量：单位冲击荷载在机翼蒙皮各单元节点移动，单位冲击荷载作用点的标号作为设计变量，所述设计变量为整型变量，增量步为1；
步骤3.5定义优化目标：传感器总数num最小化和应变总和的2-范数||S||2最大化作为优化二目标；
步骤3.6采用遗传算法优化传感器数目和应变传感器所在位置。
进一步的，所述优化目标为：传感器总数最小化和冲击响应的应变能总和2-范数最大化；或者传感器总数最小化和冲击响应的加速度总和2-范数最大化。
进一步的，所述遗传优化算法采用Isight软件进行。
本发明的有益效果为：
1)将Delta函数用来表征应变传感器的有无，方法实用；
2)基于遗传算法，冲击载荷作用点可在蒙皮节点之间随机移动，使得应变传感器优化布置结果具有普适性；
3)优化目标简单，容易定义和描述；
4)多目标优化考虑因素多，与实际的情况更相符；多目标优化的结果，提供多种方案可供选择；
5)可以至少节省单元数量一半个数的传感器。
附图说明
图1所示为机翼蒙皮有限元模型图。
图2所示为单位冲击荷载随时间变化曲线图。
图3所示为传感器总数num与冲击响应应变总和S的Pareto前沿图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例提出一种基于虚拟试验的应变传感器的优化布置方法，采用Delta函数表示应变传感器的有无，施加的冲击载荷作用点随机移动，进行瞬态响应分析，传感器总数最小化和冲击响应的应变(应变能和加速度)总和2-范数最大化作为优化目标，使用遗传优化算法，获得较佳的布置(选址)方案，具体包括如下步骤：
步骤一、将机翼蒙皮离散为多个单元(120个板单元，即120个区域，如图1所示)，并建立材料和单元特性，并将机翼梁、长桁肋等相关结构折算成梁元；机翼根部共有1～9个节点，其余节点的标号为10～144；
步骤二、在机翼根部固支，机翼结构某处施加一个单位冲击载荷(作用时间0.～0.002s，单位冲击载荷随时间变化如图2所示，X轴为时间，Y轴为冲击荷载)，运用基于模态叠加的瞬态响应分析，按时间增量△t＝0.0001s请求输出81个结果(即0.，0.0001,0.0002,0.0003，……，0.008s),在结果中提取某个时刻机翼每个单元响应的最大应变Si，i＝1,120；
步骤三、通过Isight软件中的遗传算法建立传感器多目标优化分布程序(可选用多种遗传算法，本实施例仅为一种，并不限制本发明)；
A)定义机翼每个单元上有一个传感器Xi，那么共有num个传感器：
B)定义Delta函数表示传感器的有无施加，即
C)定义传感器测量到的应变(应变能或加速度等)总和2-范数
其中，n＝120。
D)定义优化的目标
传感器总数num最小化和应变总和的2-范数||S||2最大化作为优化二目标，采用遗传算法优化传感器数目和应变传感器所在的位置。
E)定义设计变量
定义单位冲击载荷在机翼蒙皮各节点移动，即单位冲击载荷作用点的标号作为设计变量∈[10，144]，定义为整型变量，增量步为1。特别指出表征应变传感器有无的Xi∈[0,1],定义为整型变量，增量步为1。
F)优化结果展示：
绘出传感器数目与冲击响应应变总和的Pareto前沿图如图3所示。
从图3中可找出最佳的几组传感器布置，参见表1；
表1应变传感器布置数目及位置表
本发明在应用时，可根据具体情况设置不同的单元个数，实施例中120个单元的设置只是作为示例。
本发明的有益效果为：
1)常规传感器优化布置准则是使用Gramian矩阵行列式值、MAC矩阵非对角元均方根、MAC矩阵非对角元最大值、Gramian矩阵元素以及模态应变能等，本发明将Delta函数用来表征应变传感器的有无，方法实用；
2)基于遗传算法，冲击载荷作用点可在蒙皮节点之间随机移动，使得应变传感器优化布置结果具有普适性；
3)优化目标简单，容易定义和描述；
4)多目标优化考虑因素多，与实际的情况更相符；多目标优化的结果，提供多种方案可供选择；
5)可以至少节省常规传感器布置数量一半个数的传感器。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，其特征在于，包括：
步骤一、将机翼蒙皮离散为多个单元，建立材料和单元特性，并将机翼梁、长桁肋折算成梁元；
步骤二、在机翼根部固支，机翼的单元节点处施加1个单位冲击荷载，作用时间0.～0.002s，运用基于模态叠加的瞬态响应分析，按时间增量△t＝0.0001s请求输出81个结果，在结果中提取某个时刻机翼每个单元响应的最大应变Si，其中i＝1-n，n为单元个数；
步骤三、以传感器总数最小化和冲击响应的应变总和2-范数最大化为优化目标，运用遗传优化算法，获得所述应变传感器布置方案；
步骤三的具体实现方法为：
步骤3.1定义机翼每个单元有一个传感器，则共有num个传感器：
步骤3.2定义Delta函数表示传感器的有无施加，即
步骤3.3定义传感器测量到的应变总和2-范数
其中，n为单元个数；
步骤3.4定义设计变量：单位冲击荷载在机翼蒙皮各单元节点移动，单位冲击荷载作用点的标号作为设计变量，所述设计变量为整型变量，增量步为1；
步骤3.5定义优化目标：传感器总数num最小化和应变总和的2-范数||S||2最大化作为优化二目标；
步骤3.6采用遗传算法优化传感器数目和应变传感器所在位置。
2.如权利要求1所述的基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，其特征在于，步骤一中，将机翼蒙皮离散为120个单元。
3.如权利要求1-2任一项所述的基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，其特征在于，所述优化目标为：传感器总数最小化和冲击响应的应变能总和2-范数最大化；或者传感器总数最小化和冲击响应的加速度总和2-范数最大化。
4.如权利要求1-2任一项所述的基于虚拟试验的应变传感器优化布置方法，其特征在于，所述遗传优化算法采用Isight软件进行。
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