基于有限测点信息的结构多种响应重构算法和试验研究

Despite the multi-type information for the structural analysis, structural monitoring and condition assessment due to the development of sensory system, the number of sensors is still limited, causing the unavailable measured responses at some key locations. Response reconstruction at those key structural locations where sensors are not available is essential and has attracted many interests. However, the existing structural response reconstruction methods considered only single type of responses and still remain challenging by not considering the optimal sensor placement and low computation efficiency. Thus, this proposal aims to present a new method of multi-sensing based on substructuring approach for multi-type structural response reconstruction. The relationship of modal parameters between the substructure and full structure is firstly investigated. And then a multi-type sensor optimal placement method with the aim of best reconstruction of multi-type structural responses is proposed and investigated theoretically, numerically and experimentally. Different from the existing methods, multi-type sensor optimal placement is considered in the proposed method to improve the accuracy of the reconstructed results. Besides, for the improvement of computation efficiency, substructuring approach is employed to reduce the unknown parameters and number of sensor location candidates. The accurate reconstructed responses are benefit for the dynamic catastrophe mechanism analysis, structural health monitoring and safety assessment.

结构动力响应是研究结构灾变机理、健康监测和安全评估的基础和依据。多类型的传感器可用于结构从局部到全局的监测。然而，安装于结构上的传感器数目始终有限，许多关键位置可能并未布设传感器。现有的未测点响应重构方法是考虑单种响应的重构，且存在精度不高和计算效率低下的问题。本项目用子结构法缩减研究对象的自由度数，以建立子结构和整体结构模态参数之间的关系为出发点，以提高响应重构精度为目标的多种传感器位置优化为突破口，从理论分析、数值模拟和实验验证三个方面，对多种响应重构理论、算法和计算机实现进行深入研究，旨在解决有限信息下多种响应重构的关键问题，重点研究解决多种响应同时重构、重构精度依赖于传感器位置和算法计算效率低下的问题；提出基于有限测点信息的结构多种响应重构理论框架，为未测点的多种响应重构提供理论依据。项目成果可广泛应用于结构动力灾变机理、健康监测和安全评估的研究，具有较大的理论意义和工程实用价值。

结构动力响应是研究结构灾变机理、健康监测和安全评估的基础和依据，其测量需依赖于传感器系统。然而，安装于结构上的传感器数目始终有限，许多关键位置可能并未布设传感器。因此，利用有限测量点的信息重构未安装传感器位置的响应具有十分重要的意义。本项目研究了基于有限测点信息的结构多种响应重构算法，并数值模拟和试验分析了所提算法。主要内容有：（1）改进了人工鱼群算法，研究结构健康监测中传感器位置的优化布置，改进的人工鱼群算法可有效地避免将动力特性相似的位置选择为传感器的位置，且提高了算法的寻优性能，适用于解决土木工程结构中传感器位置的优化问题；（2）利用有限数目的测量点响应信息，完成了基于子结构法的结构多种响应重构，该算法的使用可以在保证重构精度的前提下，降低结构的自由度数，提高计算效率，有利于该方法应用在大型的复杂土木工程结构中；（3）基于有限测点信息，结合卡尔曼滤波算法，在测量噪声和过程噪声未知下，完成了结构未测量位置多种结构响应的重构，该算法无需预先设定噪声方差，也无需假定其为恒值，利用有限测点信息估计噪声方差和重构结构响应，重构的响应与计算响应吻合良好，估计的时变的噪声方差更符合实际情况，有利于该方法在土木工程结构中的推广运用。未安装传感器位置的响应重构能为结构健康监测提供更全面和广泛的信息，有利于结构损伤识别、疲劳分析和灾变机理研究。