專利名稱：一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種結構的螺栓松動損傷診斷方法，特別涉及一種空間網格結構節(jié)點的螺栓松動損傷診斷方法。
背景技術：
空間網格結構體系迅速發(fā)展于20世紀80年代，截至目前其結構形式已經向多樣化、新穎化和超大跨度化方向發(fā)展。這些大空間、超大空間建筑投資巨大，往往是人群集合或配置重要設施的場所，其安全不僅維系著成千上萬人的生命安全，而且還具有重大的國內、國際影響。而在結構中節(jié)點是受力最集中的部位，對于整體結構的安全性極為重要，節(jié)點一旦失效，相連桿件將喪失部分或全部承載功能，可能造成結構的傳力路徑改變、結構體系局部破壞，甚至可能引發(fā)整個體系連續(xù)性破壞。螺栓球節(jié)點作為一種典型的半剛性節(jié)點，由于其加工制作工藝簡單，現場安裝方便，技術要求較低，可以避免高空焊接作業(yè)，在國內外廣泛應用于網格比較規(guī)則的中、小跨度的網架、雙層網殼結構。而且近年來自由曲面造型的建筑設計日益流行，螺栓球節(jié)點由于其空間定位方便準確特別適用于這種復雜曲面的網格結構?？臻g網格結構中高強螺栓節(jié)點的失效形式屬于脆性破壞，沒有發(fā)生桿件變形等預兆。試驗研究結果表明，螺栓的緊固程度對結構的剛度影響顯著，特別是工程中螺栓球節(jié)點還存在著致命的“假擰緊”現象，在設計和施工上都不容易控制。德國MeiO體系將鋼管開孔以檢查螺栓是否到位，但開孔斷面削弱太多。此外日本在大連電視塔工程中曾由螺帽孔插入內窺鏡，檢查螺栓是否到位，由于會大大提高施工成本，并不適合推廣。因此對大跨網格結構螺栓球節(jié)點進行損傷識別及安全評估方法的研究具有重要的現實意義。從目前的研究來看，對于空間網格結構損傷識別的研究大都集中為桿件的損傷定位，即采用降低桿件的彈性模量來模擬桿件的損傷，尚未見到研究節(jié)點連接的損傷識別，而事實上工程應用時螺栓松動損傷發(fā)生的概率要比桿件損傷大的多，因此尋求一種螺栓松動損傷識別的方法迫在眉睫。目前，人工神經網絡(簡稱ANN)方法以其處理信息的并行性、自組織、自學習性、聯想記憶功能以及很強的魯棒性和容錯性等優(yōu)點，被廣泛應用于損傷識另O。然而由于空間網格結構的自由度太多，且能夠獲得的實測數據非常有限，而基于不完備測試信息的情況下直接利用神經網絡對整體結構的損傷判定幾乎是不可能完成的，會出現模擬損傷樣本組合爆炸的問題，因此降低神經網絡的計算量成為了能否使用該方法的關鍵。在結構損傷識別中，損傷位置的診斷比損傷程度的診斷更困難，但也更重要。一方面，它可以確定出結構有無損傷或損傷的大致位置；另一方面，在確定出損傷的大致位置后，采用較精密的無損檢測設備對該區(qū)域進行局部檢測。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，通過提供一種基于人工神經網絡技術的空間網格結構螺栓松動損傷診斷的分步定位新方法，使計算工作量大大減少，從而增強神經網絡技術對空間網格結構進行損傷診斷的實用性。精簡神經網絡的結構并提高其非線性映射能力及損傷識別的效率。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，首先以整個結構為控制對象進行面向子結構的損傷定位，即根據空間網格結構的組成規(guī)律，將其細分成子結構，采用概率神經網絡診斷螺栓松動損傷可能發(fā)生的子結構。然后以整個子結構為控制對象，在縮小的范圍內采用面向節(jié)點的損傷定位法，確定子結構中螺栓松動損傷的節(jié)點位置。上述方法具體包括以下幾個步驟:1.1.對螺栓球節(jié)點進行了精細化建模，通過分析螺栓球轉動剛度隨彎矩的變化情況，獲得螺栓球連接的彎矩一轉角(M — Θ)曲線，利用簡化原則將連接等效為一段直桿；1.2.建立結構的半剛性模型，即得到結構的精細化模型；1.3.根據空間網格結構的構成特點將空間網格結構按照幾何位置連續(xù)性的方式劃分為多個子結構，任意兩個子結構中桿件、節(jié)點的布置相同，并對其進行編號；1.4.對結構測點進行加速度傳感器的優(yōu)化布置，并進行頻率對桿件的靈敏度分析；1.5.螺栓松動損傷的數值模擬；1.6.以整個結構為研究對象，確定神經網絡的訓練樣本、輸入參數及輸出參數，選擇概率神經網絡(簡稱PNN)進行訓練。將螺栓松動的損傷樣本輸入到訓練完畢的PNN網絡A，輸出為損傷位置所在的子結構，即將損傷位置定位到其所在的子結構；1.7.以整個子結構作為研究對象，以NDSIi (k)作為輸入參數，螺栓松動損傷對應的節(jié)點損傷指數作為神經網絡的輸出，采用廣義回歸神經網絡(簡稱GRNN)進行訓練。將損傷樣本輸入到訓練完畢的GRNN網絡B，輸出為節(jié)點的損傷指數，即將損傷位置定位到其所在的節(jié)點；所述步驟1.1中節(jié)點連接的簡化原則為:根據所得到的M — Θ曲線折減節(jié)點單元的彈性模量，來保證彈性階段節(jié)點單元的抗彎剛度等效。將螺栓連接簡化為一段直桿，慣性矩I和桿件單元相同，L為球中心至切削面與套筒長度之和。所述步驟1.2中半剛性模型建立的方法為:建立具有桿端節(jié)點連接剛度可調的桿件單元，即螺栓球節(jié)點的半剛性用具有剛度可調的節(jié)點單元來描述。a為節(jié)點單元與桿件單元的剛度比值，aEI為節(jié)點單元剛度，EI為桿件單元剛度)。所述步驟1.3中空間網格結構的特點為:空間網格結構的桿件和節(jié)點布置相同，子結構的受力特點相同或相近。所述步驟1.4中加速度傳感器優(yōu)化布置的方法為:測點布置優(yōu)先級綜合排序法。所述步驟1.5中螺栓松動模擬的方法為:利用節(jié)點單元的截面面積減小來模擬節(jié)點螺栓松動的損傷，但保證桿件的壁厚不變。所述步驟1.6中訓練樣本的確定原則為:選取子結構中桿件靈敏度排序的前10%且靠近子結構中心的位置桿件。所述步驟1.6輸入參數、輸出參數的確定原則為:選擇僅與損傷位置有關的參數一標準化的損傷信號指標NDSIi (k)作為輸入參數，這樣可以避開損傷程度的干擾，提高神經網絡識別的效率。輸出參數為對應的“子結構編號”。
權利要求
1.一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，采用概率神經網絡診斷螺栓松動損傷可能發(fā)生的子結構；然后以整個子結構為控制對象，在縮小的范圍內采用面向節(jié)點的損傷定位法，確定子結構中螺栓松動損傷的節(jié)點位置；其特征在于:包括以下步驟: 1.1.對螺栓球節(jié)點進行了精細化建模，通過分析螺栓球轉動剛度隨彎矩的變化情況，獲得螺栓球連接的彎矩一轉角曲線，利用簡化原則將連接等效為一段直桿； 1.2.建立結構的半剛性模型，即得到結構的精細化模型； 1.3.根據空間網格結構的構成特點將空間網格結構按照幾何位置連續(xù)性的方式劃分為多個子結構，任意兩個子結構中桿件、節(jié)點的布置相同，并對其進行編號； 1.4.對結構測點進行加速度傳感器的優(yōu)化布置，并進行頻率對桿件的靈敏度分析； 1.5.螺栓松動損傷的數值模擬； 1.6.以整個結構為研究對象，確定神經網絡的訓練樣本、輸入參數及輸出參數，選擇概率神經網絡進行訓練；將螺栓松動的損傷樣本輸入到訓練完畢的PNN網絡A，輸出為損傷位置所在的子結構，即將損傷位置定位到其所在的子結構； 1.7.以整個子結構作為研究對象，以NDSIi (k)作為輸入參數，螺栓松動損傷對應的節(jié)點損傷指數作為神經網絡的輸出，采用廣義回歸神經網絡進行訓練；將損傷樣本輸入到訓練完畢的GRNN網絡B，輸出為節(jié)點的損傷指數，即將損傷位置定位到其所在的節(jié)點。
2.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.1中節(jié)點的連接，根據所得到的M — Θ曲線折減節(jié)點單元的彈性模量，保證彈性階段節(jié)點單元的抗彎剛度等效；將螺栓連接簡化為一段直桿，慣性矩I和桿件單元相同，L為球中心至切削面與套筒長度之和。
3.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1 .2中半剛性模型，建立具有桿端節(jié)點連接剛度可調的桿件單元，即螺栓球節(jié)點的半剛性用具有剛度可調的節(jié)點單元來描述。
4.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.3中空間網格結構的桿件和節(jié)點布置相同，子結構的受力特點相同或相近。
5.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.4中加速度傳感器優(yōu)化布置，根據測點布置優(yōu)先級綜合排序。
6.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.5中螺栓松動的模擬，利用節(jié)點單元的截面面積減小來模擬節(jié)點螺栓松動的損傷，但桿件的壁厚不變。
7.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.6中訓練樣本的確定，選取子結構中桿件靈敏度排序的前10%且靠近子結構中心的位置桿件。
8.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.6輸入參數、輸出參數，選擇僅與損傷位置有關的參數一標準化的損傷信號指標NDSIi (k)作為輸入參數；輸出參數為對應的子結構編號；
9.根據權利要求1所述的一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，其特征在于:所述步驟1.7中節(jié)點的損傷指數，若與節(jié)點相連接的螺栓出現松動損傷，則輸出值為“1”，若完好，輸出值為“O”，當輸出值> 0.5時即認為節(jié)點出現損傷。
全文摘要
一種空間網格結構節(jié)點螺栓松動損傷的診斷方法，包括對螺栓球節(jié)點進行了精細化建模，建立結構的組合單元模型，即得到結構的精細化模型；根據空間網格結構的構成特點按照幾何位置連續(xù)性的方式將其劃分為多個子結構，并對其進行編號，對結構測點進行傳感器優(yōu)化布置，并進行頻率對桿件的靈敏度分析；螺栓松動損傷的數值模擬；確定神經網絡的訓練樣本、輸入參數及輸出參數，將損傷樣本輸入到訓練完畢的GRNN網絡B，輸出為節(jié)點的損傷指數，即將損傷位置定位到其所在的節(jié)點；可以大大減少損傷精確定位時訓練樣本的數量，增強了使用神經網絡技術對空間網格結構螺栓松動損傷診斷的實用性。尤其對于節(jié)點眾多的大型空間網格結構具有突出的優(yōu)勢。
文檔編號G06F17/50GK103091122SQ20131000636
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權日2013年1月8日
發(fā)明者吳金志, 劉才瑋, 張毅剛 申請人:北京工業(yè)大學