CN117408108A - 一种基于有限元及实时监测的健康监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的属于健康监测方法技术领域，具体为一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，包括以下步骤：S1:收集被测结构体的设计数据信息，建立初始有限元模型对被测结构体进行有限元建模分析，计算获取被测结构体结构响应敏感位置；S2:根据被测结构体结构响应敏感位置进行传感器的布置并进行数据监测和传输；S3:通过将实际值与健康范围阈值进行比较，判断桥梁是否处于健康状态；S4:当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，利用基于最小二乘法的参数辩识算法调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，用修正后的计算模型指导以后的施工。以提高健康监测的准确性，降低监测所需的成本，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及健康监测方法领域，具体为一种基于有限元及实时监测的健康监测方法。
背景技术
传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈，无法对桥梁的安全状况进行有效监测，近年来，随着通信网络、信号处理、人工智能等技术的不断发展，加速了桥梁健康监测的实用化和应用研究，桥梁健康监测是通过对桥梁结构状况的监控与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况异常严重时发出报警信号，为桥梁的维护维修和管理决策提供依据与指导。
有限元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。
现有的对桥梁进行健康监测的方法，对桥梁健康监测的准确性有待进一步提高，且监测所需的成本大多较高，故本发明提供一种基于有限元及实时监测的健康监测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，实现施工过程中的实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测三阶段目标，以解决上述背景技术中提出的现有的对桥梁进行健康监测的方法对桥梁健康监测的准确性有待进一步提高，且监测所需的成本大多较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，包括以下步骤：
S1:收集被测结构体的设计数据信息，建立初始有限元模型，被测结构体为桥梁，对初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型。对被测结构体进行有限元建模分析，通过有限元程序计算获取被测结构体结构响应敏感位置，如关键部位应力状态、主梁挠度变化等指标；
S2:根据被测结构体结构响应敏感位置进行设点优化，确定传感器数量和传感器的布置位置，所述传感器为环境传感器和荷载传感器，传感器对被测结构体的数据信息进行实时监测传输；
S3:将传感器检测到的被测结构体的荷载数据信息输入至有限元模型中，得到被测结构体的健康状况的实际值，当被测结构体的健康状况的实际值未超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于健康状态，当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于异常状态；
S4:当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到基于最小二乘法的参数辩识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，实现结构模型自适应纠偏。经过至少1个工况的反复辩识，计算模型在与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律，当计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型来指导以后的施工。
优选的，所述步骤S1中，收集的被测结构体的设计数据信息包括被测结构体的工况参数数据、形状信息数据、尺寸信息数据、材料信息数据以及重量数据，根据被测结构体的设计数据信息进行有限元建模处理，得到所述初始有限元模型。
优选的，所述步骤S1中，确定与被测结构体的初始有限元模型相对应的被测结构体健康状况的初始仿真值，确定与所述被测结构体健康状况初始仿真值相对应的被测结构体健康状况的初始实测值，根据被测结构体健康状况的初始仿真值和初始实测值，对被测结构体的初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型。
优选的，所述环境传感器用于测量被测结构体的温度、湿度、风环境数据信息。
优选的，当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值，从而判断被测结构体处于异常状态时，通过连接报警装置发出警报。
优选的，步骤4中涉及调整的参数主要包括：混凝土弹性模量；材料的容重；混凝土收缩、徐变系数；永存预应力等与施工中的实际情况有一定的差距以及环境温度、临时荷载的影响。
优选的，所述最小二乘法的参数辩识算法有以下步骤：
1.输入数据集：收集包含输入和输出数据的数据集。
2.定义数学模型：建立描述系统行为的数学方程，其中包含未知参数。例如，线性模型可以表示为y＝θ1x1+θ2x2+...+θnxn+ε，其中y是输出，x1,x2,...,xn是输入，θ1,θ2,...,θn是待估计的参数，ε是误差。
3.最小化误差平方和：利用最小二乘法的思想，通过最小化实际观测值与模型预测值之间的误差平方和来确定最优参数估计。定义误差函数E(θ)＝∑(yo-y)2，其中yo是观测到的输出，y是根据模型估计的输出。最小化误差函数E(θ)可以得到最优参数估计。
4.求解最优参数估计：对误差函数E(θ)进行求导，令导数等于零，求解参数θ的值。这可以通过求解正规方程组或使用迭代方法(如梯度下降)来实现。
5.参数辨识评估：对所得参数进行评估，可以计算残差、均方根误差等指标来评估参数估计的准确性和可靠性。
6.可选的模型验证：将估计的参数应用于新的数据集，并验证模型的准确性和适用性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中，根据被测结构体的设计数据信息建立初始有限元模型，被测结构体为桥梁，对初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型，然后通过有限元建模分析，获取被测结构体结构响应敏感位置，对结构响应敏感位置进行设点优化后，确定传感器数量和传感器的布置位置，将监测到的被测结构体的荷载数据信息输入至有限元模型中，得到被测结构体的健康状况的实际值，通过将实际值进行比较，判断桥梁是否处于健康状态，提高了健康监测的准确性，且监测所需的成本降低，适合推广使用。
2.利用基于最小二乘法建立的参数辨识算法计算最优参数估计，并对所得参数进行评估，利用验证过准确性和适用性的模型，指导后续施工能够使结构体自动适应物理力学规律。通过根据现场实际反馈并调整后的模型提取的控制数据，如梁立模标高值，能够给下一节段施工提供准确合理的施工监控指导。
附图说明
图1为本发明步骤示意图；
图2为本发明自适应纠偏基本原理图；
图3为本发明参数辨识算法基本原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
请参阅图1～图3，本发明提供一种技术方案：一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，包括以下步骤：
S1:收集被测结构体的设计数据信息，包括被测结构体的工况参数数据、形状信息数据、尺寸信息数据、材料信息数据以及重量数据，建立初始有限元模型，被测结构体为桥梁，对初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型，对被测结构体进行有限元建模分析，获取被测结构体结构响应敏感位置；
S2:根据被测结构体结构响应敏感位置进行设点优化，确定传感器数量和传感器的布置位置，所述传感器为环境传感器和荷载传感器，传感器对被测结构体的数据信息进行实时监测传输，被测结构体上还安装有结构局部响应传感器，结构局部响应传感器安装在被测结构体的应力较大和易损伤部位、对结构整体破坏影响较大的区域，用于检测被测结构体的结构局部响应参数，以便更加系统的对桥梁的健康状况进行监测，提高桥梁健康监测的准确性；
S3:将传感器检测到的被测结构体的荷载数据信息输入至有限元模型中，得到被测结构体的健康状况的实际值，当被测结构体的健康状况的实际值未超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于健康状态，当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于异常状态；
S4:当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到基于最小二乘法的参数辩识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，实现结构模型自适应纠偏。经过至少1个工况的反复辩识，计算模型在与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律，当计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型来指导以后的施工。
所述步骤S1中，收集的被测结构体的设计数据信息包括被测结构体的工况参数数据、形状信息数据、尺寸信息数据、材料信息数据以及重量数据，根据被测结构体的设计数据信息进行有限元建模处理，得到所述初始有限元模型。
所述步骤S1中，确定与被测结构体的初始有限元模型相对应的被测结构体健康状况的初始仿真值，确定与所述被测结构体健康状况初始仿真值相对应的被测结构体健康状况的初始实测值，根据被测结构体健康状况的初始仿真值和初始实测值，对被测结构体的初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型。
所述环境传感器用于测量被测结构体的温度、湿度、风环境数据信息，用于对桥梁所处的环境信息进行监测。
所述步骤4中涉及调整的参数主要包括：混凝土弹性模量；材料的容重；混凝土收缩、徐变系数；永存预应力等与施工中的实际情况有一定的差距以及环境温度、临时荷载的影响。
所述最小二乘法的参数辩识算法有以下步骤：
1.输入数据集：收集包含输入和输出数据的数据集。
2.定义数学模型：建立描述系统行为的数学方程，其中包含未知参数。例如，线性模型可以表示为y＝θ1x1+θ2x2+...+θnxn+ε，其中y是输出，x1,x2,...,xn是输入，θ1,θ2,...,θn是待估计的参数，ε是误差。
3.最小化误差平方和：利用最小二乘法的思想，通过最小化实际观测值与模型预测值之间的误差平方和来确定最优参数估计。定义误差函数E(θ)＝∑(yo-y)2，其中yo是观测到的输出，y是根据模型估计的输出。最小化误差函数E(θ)可以得到最优参数估计。
4.求解最优参数估计：对误差函数E(θ)进行求导，令导数等于零，求解参数θ的值。这可以通过求解正规方程组或使用迭代方法(如梯度下降)来实现。
5.参数辨识评估：对所得参数进行评估，可以计算残差、均方根误差等指标来评估参数估计的准确性和可靠性。
6.可选的模型验证：将估计的参数应用于新的数据集，并验证模型的准确性和适用性。
监测识别阶段：根据被测结构体的设计数据信息建立初始有限元模型，被测结构体为桥梁，对初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型，然后通过有限元建模分析，获取被测结构体结构响应敏感位置，对结构响应敏感位置进行设点优化后，确定传感器数量和传感器的布置位置，将监测到的被测结构体的荷载数据信息输入至有限元模型中，得到被测结构体的健康状况的实际值，通过将实际值进行比较，判断桥梁是否处于健康状态，当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值，从而判断被测结构体处于异常状态时，通过连接报警装置发出警报，报警装置可以为警报灯或者蜂鸣器，以便工作人员能够及时的发现报警信息。
调整纠偏阶段：根据实测材料、环境、荷载等参数结合结构响应指标的变化，通过参数辨识算法进行参数调节，使模型达到理性状态，并根据控制目标反馈结果调整控制量，结合输出修正后的有限元计算结果，指导下节段施工，按此步骤实现每一节段的循环。
根据实时修正的有限元计算模型计算结果，提高下一节段的健康监测的准确性，且监测所需的成本降低，适合推广使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:收集被测结构体的设计数据信息，建立初始有限元模型，被测结构体为桥梁，对初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型，对被测结构体进行有限元建模分析，获取被测结构体结构响应敏感位置；
S2:根据被测结构体结构结构响应敏感位置进行设点优化，确定传感器数量和传感器的布置位置，所述传感器为环境传感器和荷载传感器，传感器对被测结构体的数据信息进行实时监测传输；
S3:将传感器检测到的被测结构体的荷载数据信息输入至有限元模型中，得到被测结构体的健康状况的实际值，当被测结构体的健康状况的实际值未超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于健康状态，当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值时，则判断被测结构体处于异常状态；
S4:当结构测量到的受力状态与模型计算结果不相符时，通过将误差输入到基于最小二乘法的参数辩识算法中去调节计算模型的参数，使模型的输出结果与实际测量到的结果一致，得到了修正的计算模型参数后，重新计算各施工阶段的理想状态，实现结构模型自适应纠偏修正。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：所述步骤S1中，收集的被测结构体的设计数据信息包括被测结构体的工况参数数据、形状信息数据、尺寸信息数据、材料信息数据以及重量数据，根据被测结构体的设计数据信息进行有限元建模处理，得到所述初始有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：所述步骤S1中，确定与被测结构体的初始有限元模型相对应的被测结构体健康状况的初始仿真值，确定与所述被测结构体健康状况初始仿真值相对应的被测结构体健康状况的初始实测值，根据被测结构体健康状况的初始仿真值和初始实测值，对被测结构体的初始有限元模型进行修正，得到被测结构体的有限元模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：所述环境传感器用于测量被测结构体的温度、湿度、风环境数据信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：当被测结构体的健康状况的实际值超过正常该被测结构体的健康范围阈值，从而判断被测结构体处于异常状态时，通过连接报警装置发出警报。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限元及实时监测的健康监测方法，其特征在于：所述有限元模型根据经过参数辩识算法调节后计算模型的参数重新计算，经过至少1个工况的检验，计算模型在与实际结构磨合一段时间当计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型来指导以后的施工。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117592341A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 苏州大学 | 一种t型桥梁健康状态的有限元预测方法和系统 |
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2023
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117592341A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 苏州大学 | 一种t型桥梁健康状态的有限元预测方法和系统 |
| CN117592341B (zh) * | 2024-01-18 | 2024-03-29 | 苏州大学 | 一种t型桥梁健康状态的有限元预测方法和系统 |
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