一种结构应变在线测点优化布置方法与流程

本技术属于数字孪生，具体涉及一种结构应变在线测点优化布置方法。

背景技术：

1、为了构建与物理实体高度映射的数字孪生模型，使得数字孪生体与物理实体在产品运维上起到“齐头并进”的作用，基于载荷识别技术获得产品运营的实际载荷对提升数字孪生虚实映射可靠性具有重要意义，但载荷反演结果精度又依赖于应变测点的布置。

2、对于应变测点的布置大多依赖人工设计经验，需要设计人员具备足够的知识储备以及监测经验，实际应用中难以满足对载荷反演结果精度的需求。

3、目前，现有技术方案主要结合有限元仿真与优化算法，基于数学准则确定应变传感器的最优布置，根据应变测点优化布置实现目的的不同，现有技术方案在研究对象及技术路线方面又存在一定的差别，总结该类方案主要在存在以下不足：

4、(1)应变测点布置对象的结构类型单一性。如“cn202211396758.2-薄壁件应变测点定位方法装置及薄壁件加工设备”，该方案仅限于薄壁件，通过判断候选测点有效性确定装夹力对薄壁零件的影响，以提高夹具工艺在加工过程中的稳定性，该技术方案缺乏通用可靠性，难以将该方案应用到其他类型结构。

5、(2)应变测点布置的候选测点选择人为经验依赖性。如“cn202311841282.3-一种提高风机塔筒气动载荷识别稳定性的测点优化方法”该方案首先通过在风机塔筒上人为选择若干初始应变监测点位，在此基础上通过逐次增加法以枚举的方式确定所有测点数矩阵的条件数，用以确定最优测点组合，该技术方案通过人为经验确定初始应变测点集，增加了最优测点漏选的风险。

6、(3)缺乏结构受载时物理力学特征对应变测点布置的指导性。如“cn202010242696.4-应变传感器布置”，本技术方案直接在结构高应变区域布置应变片，未考虑结构受载时非线性应力集中区域对测点布置的影响；又如“cn201410764978.5-一种大型飞机机身壁板检测点优化布置方法”，该技术方案完全依赖优化算法在适合布置传感器的整个区域通过数学优化准则筛选最优的应变测点集，该技术方案在面对复杂结构时，难以应对测点选择局部最优的风险。

技术实现思路

1、本技术旨在解决现有技术中存在的上述问题，现提出一种结构应变在线测点优化布置方法。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种结构应变在线测点优化布置方法，以二维结构为例，其步骤包括：

4、步骤s1.基于拓扑优化技术确定结构在给定工况下的传力路径；

5、步骤s2.基于力学仿真结果确定应变测点的候选测量方向；

6、步骤s3.通过最佳测量方向判定准则确定传力路径上应变测量最佳方向；

7、步骤s4.通过平缓区域判定方法确定应变测点优化布置的候选区域；

8、步骤s5.在应变测点优化布置的候选区域进行载荷灵敏度分析，量化测点灵敏度值；

9、步骤s6.基于遗传算法分别以测点灵敏度及局部最优测点组合信息矩阵行列式作为适应度函数，依次确定局部最优测点以及最优应变测点组合；

10、步骤s7.面对复杂多工况结构，基于不同工况下的传力路径，灵活配置应变测点以应对不同工况下的监测需求。

11、进一步地，所述步骤s1具体为：基于有限元软件生成虚拟模型，将结构边界条件外适合布置传感器区域作为设计区域，同时给虚拟模型施加边界载荷，其作用于开口内侧对称位置，并以载荷数值等差递增形式逐步加载；

12、再对设计区域进行变密度法拓扑优化计算分析：通过对虚拟模型的设计区域离散化并赋予离散单元相对密度，设置与结构刚度有关的最小应变能为目标函数，以小于等于20％-30％的体积分数作为约束条件，基于寻优方法得到设计区域内相对密度数值为1的单元所构成的拓扑优化结果，定义求解后的保留结构为传力路径并对其标号处理。

13、再进一步地，离散单元相对密度的值在0与1之间。

14、进一步地，所述步骤s2具体为：通过对平板结构虚拟模型进行上述给定工况的力学仿真，基于其最大主应变结果的矢量云图确定每个传力路径适合安装应变传感器的候选方向，作为应变测点的候选测量方向，候选测量方向为默认坐标系下x，y方向和沿传力路径的方向及其垂直方向。

15、进一步地，所述步骤s3具体为：基于拓扑优化计算结果，在各路径上沿路径方向顺序选择节点构成节点集合，作为路径节点集；在力学仿真结果中，首先确定路径节点集在给定工况下各候选测量方向分量的应变值，再通过多项式拟合各候选方向应变分量与路径节点集中节点之间的相对位移，获得拟合多项式通过数学求导处理得到其中下标j指代不同的候选方向，x指代节点集所在的路径距离，单位为mm，进而通过最佳测量方向判定准则确定应变测量最佳方向。

16、再进一步地，应变测点最佳测量方向判定准则包括：确定所述路径节点集在各候选测量方向的仿真应变分量集nj＝{|ej(x1)|,|ej(x2)|,…,|ej(xn)|}，下标n代表所述路径节点集中节点数量；基于拟合多项式的一阶求导结果表达式确定路径节点集在各候选测量方向的应变分量随路径位移变化的一阶导数集通过赋予一阶导数集阈值筛选得到传力路径上平缓区域的节点，对其各候选测量方向的仿真应变值及其一阶导数值归一化处理，再通过加和求平均的方式分别获得测量方向评价指标r1,j以及路径平缓评价指标r2,j，赋予测量方向评价指标及路径平缓评价指标不同权重进而得到代表测量方向优劣的综合评价指标rc，计算最大rc值为应变测量最佳方向。

17、更进一步地，表达式：

18、

19、fj(i)为的饱和系数，其中i代表节点集中第i个节点，包含节点编号信息；

20、ej,max＝max{|ej(x1)|*fj(1),|ej(x2)|*fj(2),…,|ej(xn)|*fj(n)}

21、

22、ej，max代表节点集中一阶导数值符合阈值c范围，且在j方向应变值最大的节点应变值；代表一阶导数集中一阶导数值符合阈值c范围，且在j方向一阶导数值最大的节点一阶导数值；

23、

24、

25、n为节点集中节点数量；

26、rc,j＝w*r1,j+(1-w)*r2,j

27、optim al direction:max(rc)

28、其中，ej(xi)是路径节点集第i个节点在j所指代候选测量方向的仿真应变分量值，为通过一阶导数式获得的第i个节点在j所指代候选测量方向应变分量随路径相对位移变化的一阶导数值，r1,j，r2,j为测量方向评价指标以及路径平缓评价指标，rc,j为j所指代的候选方向其综合评价指标，c为路径平缓区域评价指标的阈值，w为权重因子，与应变传感器参数和结构尺度相关，本实施例中，w为0.7。

29、进一步地，所述步骤s4具体为：通过一阶导数集阈值确定路径节点集中符合条件的节点，其所在的传力路径区域作为应变测点优化布置的候选范围，区域大小由相邻节点之间的距离而定，接着根据传感器尺寸对所述候选范围进行区域划分，确定传力路径上的应变测点优化布置的候选区域，即每个传力路径上有多个候选区域，路径节点集筛选条件的数学表达式为：

30、p＝{x1,x2,…,xn}

31、m＝{xi∈p|0≤|e'(xi)|≤c}

32、p为路径节点集节点集合，其中xi代表所述路径节点集第i个节点，包含节点编号信息，m代表符合筛选条件的节点集，c为路径平缓区域评价指标的阈值。

33、进一步地，所述步骤s5具体为：在应变测点优化布置的候选区域进行载荷灵敏度分析，在力学仿真结果中提取候选区域内节点信息，信息包括给定工况下每个梯度载荷的最佳测量方向的应变分量，并计算每个节点的所述应变分量随载荷变化的斜率值作为测点灵敏度。

34、再进一步地，所述测点灵敏度的数学表达式为：

35、

36、其中k代表测点灵敏度，δε为测点随载荷变化在最佳测量方向的应变变化值，δf为载荷的变化值。

37、进一步地，所述步骤s6为：首先以测点灵敏度为适应度函数，基于遗传算法确定候选区域的最优应变测点，作为局部最优测点；根据工况信息确定最少的测点数量，以此数量选择所述局部最优测点获得不同测点组合，通过组合中测点所构成的信息矩阵行列式为目标函数，基于遗传算法确定结构最优的应变测点组合；考虑实际工程中的随机干扰因素，为最优应变测点组合中的每个测点确定一个备选测点。

38、再进一步地，具体操作为：对于最优应变测点组合中的每一点，通过评估其与其余局部最优测点之间的信息离散度，以最小化信息离散度为标准确定备选测点；

39、应变测点组合的信息矩阵数学表达式q为：

40、

41、e代表由边界载荷数量p与梯度载荷数量m所构成的元素标准化p*m矩阵，称为应变观测矩阵，包含局部最优测点应变随载荷变化信息；其中，m代表工况下载荷梯度变化数量，同时代表测点组合数量，εpm代表第p个局部最优测点在第m个载荷梯度下的应变值；

42、两测点之间的信息离散度数学表达式：

43、

44、αim代表在加载到第m个载荷梯度时，结构第i个测点的应变值；αjm代表在加载到第m个载荷梯度时，结构第j个测点的应变值；其中向量xi，xj分别代表最优测点组合中的第i个测点和其余局部最优测点中的第j个测点，向量中每个元素代表该测点在载荷变化时的应变信息。

45、进一步地，所述步骤s7具体为：在面临具有多种工况且边界条件变化的工程结构监测任务时，基于拓扑优化技术获得各工况特定的传力路径，通过对比各工况传力路径的形态，确定重叠区域作为应变测点的布置位置，当这些在重复路径区域布置的测点无法满足适定性条件，进一步在每个工况特有的传力路径区域布置应变测点，通过在不同工况条件下布置的应变测点进行监测，跟踪各自工况引发的结构应变，从而满足工程应用的具体需求。

46、本技术的优点在于：

47、1、本技术通过变密度法拓扑优化技术获得给定工况下的传力路径，可以有效缩小应变测点布置的目标区域，消除人为设计经验的不确定性，提高应变测点选择的效率。

48、2、本技术通过专家经验干预的方式结合实际工程现场条件赋予测量方向评价指标以及路径平缓评价指标不同权重，通过最佳测量方向判定准则确定传力路径上应变传感器的最佳方向，具有较强的实际工程适应能力。

49、3、本技术通过平缓区域判定方法并根据传感器结构尺寸对传力路径分块处理确定应变测点优化布置的候选区域，考虑结构物理力学特性，在避免结构受载非线性区域对结果影响的同时提高目标测点的筛选效率。

50、4、本技术基于遗传算法分别以灵敏度和测点组合信息矩阵行列式为适应度函数，依次确定局部最优测点和最优应变测点组合，为应对实际工程应用中的随机干扰，基于信息离散度最小化为最优应变测点组合每个测点选择一个备选测点，进一步增强了监测系统的鲁棒性。

51、5、本技术面对复杂工况结构，通过灵活布置的应变测点监测不同工况下的结构应变。本方案在一定程度上提升了应变测点优化布置的可靠性和通用性，满足了复杂工程实践需要。