大跨桥梁结构健康监测系统测点优化布置工具箱的开发及应用

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 7次 | 上传用户:arnohuang123
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结构健康监测系统充当结构的听诊器,是大跨桥梁结构服役安全性、稳定性的保障,而传感器优化布置是桥梁健康监测系统中科学研究的重点。在传感器优化布置方面,国内外提出的评价准则数目繁多,且原始理论公式较为复杂。考虑到方便实际工程现场的传感器布设,本课题开发一款支持物理模型重构、测点选取标注、测点优化计算、结果可视化显示、快速生成报告的MATLAB工具箱软件,即OSPS工具箱(Optimal Sensor Placement Strategy Toolbox),用于指导工程人员在实际工程中进行测点优化布置,提供决策依据。本文主要研究工作如下:(1)系统地归纳国内外应用于大跨桥梁传感器优化布置的评价准则,依据优化目标函数意义为单目标优化评价准则和多目标优化评价准则。其中,单目标优化准则依据目标函数的工程意义将其分为三大类,即结构振动信号最强、模态重构效果最佳、参数识别误差最小;多目标优化准则可分为常用多目标准则及帕累托多目标准则。本课题对上述准则逐一进行编程实现,形成独立运行的MATLAB脚本文件。(2)依托于MATLAB GUI开发平台,设计OSPS工具箱的界面布局及功能模块。从用户需求端入手,设计软件的功能和实现的算法和方法、软件的主页面布局设计和模块设计、编码和调试、程序联调和测试。首先进行工具箱的概要设计,包括系统组成结构设计、处理流程设计、模块划分、接口设计、数据路径设计和报错设计等;而后就主要功能模块进行详细设计,将模块设计分为图形用户界面模块和优化布置计算模块,前者主控界面布局、模型重构、视图缩放、报告输出等功能,后者主控优化计算功能。(3)对上述设计逐一进行编程实现,完成工具箱的模块化布局。其中搭建了MATLAB软件与常用有限元软件及Office_Word的接口程序,使OSPS工具箱能够识别并读取常用有限元软件中建立的模型,为可视化输出提供前置条件。为保证工具箱性能,提升用户体验,在编程实现的过程中遵循了简洁直观、缩减全局变量、统一命名规则、设置提示机制、调用子程序等原则。以一个Benchmark桥梁有限元模型为例,进行工具箱各功能模块的验证,证实其操作简洁、界面友好、算法集成、输出可视化等特点。(4)将本课题开发的工具箱应用到实际工程中,以沈阳伯官大桥的Midas有限元模型作为实桥算例,对该有限元模型进行模态分析,使用OSPS工具箱沿顺桥方向进行传感器布置,并对结果进行对比分析,从而进一步验证OSPS工具箱的可行性及其实际工程应用价值。
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