智能结构中应变传感器布局研究.pdf

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1、第26卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)Vol

2、26No．42009年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2Oo9智能结构中应变传感器布局研究董晓马，魏保立，孙庆珍，候晓英(郑州航空工业管理学院，河南郑州450015)摘要：针对智能结构实时监测中传感器布点优化问题，本文在信息熵理论和应变柔度矩阵相结合基础上给出柔度应变信息熵定义，并提出了基于柔度应变信息最大熵原理的传感器优化布局方法。最后以一个四端简支板仿真算例和试验，对上述方法可行性进行分析研究，研究结果表明该方法能有效实现应变传感器优化配置。关键词：智能结构；信息

3、熵；优化布局；柔度矩阵中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1672~037(2009)04-0029-03为探测复合材料结构内部应力、应变，并对复值分解，评价Fisher信息阵，舍弃那些对信息阵的合材料结构由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹、值无作用的测点，该方法不仅尽量使目标模态矩分层等损伤进行实时在线监测，在复合材料结构阵线性独立，而且提出了每一次迭代时舍弃测点内部埋人或表面粘贴FBG传感阵列构成光纤智的允许数目。以上传感器布点优化方法是以位移能复合材料已成为研究重点。这一形式赋予了结为目标对传感器的位置进行优化的方法，近年来构自诊断的功能，可

4、用来实时监测复合材料结构以直接测量应变进行损伤检测的研究越来越受到在服役期间的工作状态，对结构的突发性失效提关注-4’。由于应变与位移在空间坐标上的大小供预警，预防灾难性事故发生，大大提高复合材料不存在一致对应关系，所以上述优化方法并不适结构服役的可靠性，扩展复合材料的使用范围。用于应变传感器位置的优化，并且至今很少有关在智能结构研究领域中，测点优化是一个很于应变传感器位置优化的相关研究，目前国内结重要的环节。如果传感器布置过少可能得不到重构健康监测所用的应变传感器布设多采用传统的要的信息，难以反映结构的危险状况及危险部位经验方法。为此，本文针对智能结构中应变

5、传感的情况；如果传感器过多一方面造价增加，另外也器布点优化问题，提出了基于柔度的应变信息熵会带来许多无用的冗余信息，给重要信息的提取概念，并以此进行智能结构的应变传感器优化。带来很大难度。因此必须研究优化布点的方法，对传感器的数量及位置进行控制，在保证得到重1信息熵理论要信息的前提下节省不必要的投入。目前，应用最广的一种优化方法是有效独立法(EffectiveIn—信息熵是信息论中的一个表示不确定性大小dependenceAlgorithm)⋯，它从所有可能测点出的基本量，信息熵越大不确定性越大。一般地，设发，利用复模态矩阵的幂等型，计算有效独立向某一事件有Ⅳ

6、个可能出现的结果，，：，⋯，戈，假量，按照目标模态矩阵独立性排序，删除对其秩贡设它们出现的概率分别为P。，P：，⋯，P，于是某献最小的自由度，从而优化Fisher信息阵而使感一结果得到的信息表示为兴趣的模态向量尽可能保持线性无关。Guyan模：In(1／P)(1)型缩减法也是一种常用的测点选择方法，通过则信息熵定义如下刚度(静力缩减)或质量(动力缩减)子矩阵构成，v的转换矩阵，可以把那些对模态反应起主要作用=一K∑Piln(P)(2)的自由度保留下来作为测点的位置。有学者提出当P=0时，PIn(P)=0。在信息论中，对奇异值分解法，通过对待测模态矩阵进行奇异数

7、通常取以2为底，单位为比特。式中为一非收稿日期：2009-07-07作者简介：董晓马(1978一)，男，江苏淮安人，博士，副教授，研究方向为结构健康监测、损伤识别及智能测试，njddmark@163．tom。基金项目：航空科学基金(2008ZA55004)。·30·华中科技大学学报(城市科学版)2009正负数，令其为1，亦不失其普遍性。熵值的位置。2应变信息熵定义及传感器优化布置3试验研究对于质量归一化的振型，模态柔度矩阵可表仿真算例采用一个四端简支复合材料层板结达为构，该板长450mm，宽300mm，厚2mm；材料弹性模量E】=35．6GPa，E2=6．35

8、GPa，E3=6．35F==(3)GPa；泊松比12=0．24，13=0．24，23=0．48；剪式中，F、、A、rL分别为柔度矩阵、振型矩阵、固有切模量G12=3．92GPa，G13=3．92GPa，G23=3．05频率矩阵及模态数目，们，、，分别为第r阶模态频GPa；材料密度P=1．01X10kg／m。图1所示为率及向位移模态振型。类似于模态柔度矩阵的四端简支板结构的有限元模型，有限元模型共有定义，应变柔度矩阵可以表示如下：150个板单元，160个节点，节点坐标如图1所示。E=等(4)式中，E、，分别为应变柔度矩阵和第r阶应变模态。矩阵E中其对角元素代表某

9、自由度在单位力作用下该自由度的静态应变