基于遺傳算法的結構健康監(jiān)測中壓電陶瓷傳感器優(yōu)化布設

基于遺傳算法的結構健康監(jiān)測中壓電陶瓷傳感器優(yōu)化布設摘要：隨著土木工程結構日益大型化、復雜化，使得對其進行實時在線健康監(jiān)測越來越重要。目前，利用布置傳感器的方法，可以有效地獲取包含結構參數重要特征的數據，通過數據分析，識別結構參數并監(jiān)測結構的狀態(tài)。壓電陶瓷傳感器具有精度高、耐久性強和易于安裝等特點，在結構健康監(jiān)測中的應用越來越廣泛。本文在充分論述壓電陶瓷傳感器性能和特點的基礎上，主要討論基于遺傳算法的壓電傳感器在高層結構中的優(yōu)化布設問題。根據遺傳算法所具有的在處理復雜問題和非線性問題中特有優(yōu)點，將其應用到高層混凝土結構健康監(jiān)測體系傳感器優(yōu)化布置領域中，并提出了基于遺傳算法的壓電傳感器的優(yōu)化布設方案，包括布設傳感器的位置及數量。為了驗證所述方法的有效性，結合某20層高層混凝土結構的健康監(jiān)測系統(tǒng)，進行數值仿真分析，驗證了應用遺傳算法布設壓電陶瓷傳感器的可行性和實用性。關鍵詞：遺傳算法（GA）；健康監(jiān)測；壓電陶瓷傳感器；優(yōu)化布置；超彈性；結構振動控制PZT-basedsensoroptimaldistributionforstructurehealthmonitoringusingGAAbstract:Structurehealthmonitoringtechnologyhasbeendevelopingrapidlyinrecentyears.Byusingthemethodofdistributedsensorsinthestructure,datathatincludeimportantparameterinformationofstructurecanbeacquiredandanalyzedtoidentifystateofthestructure.PZT-basedsensorhasbeenwidelyappliedinstructurehealthmonitoringbecauseofitsadvantagesofhighprecision,strongdurabilityandeasyinstalling.ThepaperfocusesontheoptimaldistributionofthePZT-basedsensorinhigh-risebuildingonthebasisofpredominatedproperties.Geneticalgorithmisusedinthepaperforoptimalplacementofthesensorsinthehealthmonitoringofhigh-risereinforcedconcretestructure.Thedistributingplanofthesensorsisproposedandthenumberandpositionofthesensorsarealsodetermined.Tovalidatetheefficiencyoftheproposedmethod,a20-storybuildingisusedasanexampletocarryoutnumericalsimulation.TheresultofthesimulationshowsthatthemethodofinstallationforthePZT-basedsensorsisfeasibleandpracticalincivilengineering.Keywords:Geneticalgorithm(GA);healthmonitoring;PZT-basedsensor;optimaldistribution;structurecontrol1引言結構健康監(jiān)測是綜合性的結構監(jiān)測、評估及預警系統(tǒng)。建筑結構由于化學腐蝕、應力作用、微小撞擊以及熱疲勞等因素影響下，可能產生大量局部損傷及微裂紋。如果不及時檢測出這些局部構件的損傷，確定其位置、形狀和大小進而采取必要的補救措施，損傷將有可能進一步擴展從而產生結構破壞，甚至造成嚴重事故。對結構中的局部損傷尤其是表面微小裂紋的監(jiān)測是結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的一部分[1]。隨著“智能材料結構”概念的提出，智能材料不斷地進入土木工程領域，其中壓電材料以其諸多優(yōu)越的特性及其對微小裂紋的敏感性得以在結構損傷診斷和健康監(jiān)測中廣泛應用。本文的主要目的是利用基于壓電陶瓷的傳感器，實現建筑結構的健康監(jiān)測。1壓電材料及壓電方程[2]1.1壓電材料Curie兄弟于1880年發(fā)現壓電效應，當時僅限于壓電單晶材料。壓電材料經過一個多世紀的發(fā)展,從最早的石英晶體和羅息鹽（酒石酸鉀鈉），到鋇鈦礦型的帶氧八面體型壓電晶體等，發(fā)展到今天的固溶壓電材料（鋯鈦酸鉛LeadZirconateTitanate，縮寫為PZT）和聚偏氟乙烯（PVDF，PVF2）[3]，壓電材料的性能越來越優(yōu)越。本世紀40年代中期，美國、前蘇聯和日本各自獨立發(fā)現鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷的壓電效應，發(fā)展了極化處理法，通過在高溫下施加電場而使隨機取向晶粒出現高度同向，形成了壓電陶瓷（Piezoceramics）。它與壓電單晶相比具有很多優(yōu)點，如制備容易,可制成任意形狀和極化方向的產品,耐熱、耐濕,并且通過改變化學成分,可得到適于各種目的的材料。1.2壓電方程壓電方程是對壓電元件雙向壓電效應的一種數學描述。并做如下假設：（1）在討論正壓電效應時，忽略外界附加電場的作用；（2）在討論逆壓電效應時，忽略外界附加力場的作用；（3）忽略磁場和溫度的影響。對于各向同性的電介質材料，在一定方向上施加機械力作用而產生變形時，就會引起它們內部正負電荷中心相對轉移而產生的極化，從而導致其兩個相對表面（極化面）上出現符號相反的束縛電荷，其電位移D與外應力張量T成正比，見（1）式啟臉竟橋爬(控1)廢式中，找d效為壓電常數矩有陣。迫若對上述電介掀質施加電場作耀用時，同樣會盤引起電介質內腸部正、負電荷悟中心的相對位胸移而導致電介沸質產生變形，傅且應沃變劉S凡與外電場強銅度灣E科成正比，見劍（獎2忽）式事叼榜巨梨嗎咬江助(2)派式中，創(chuàng)d刪t擺為逆壓電常數載矩陣。紫對于各向異性脈的壓電體，其忘單一壓電效應筐可表示為慣（窮3儲）式尺按辯嚴球鋪(3馬)半式中，最i明方向的下標，噸為電效應（強鹽度、極化）方林向的下標，抄i=1,2,旺3羅；燭u仇為力效應，敲u銳=1,川2,3,勉4,5欣輝和夾6;寶宰執(zhí)T賀u太為嶺u幕方向的外旋應橋力分量（單康位弊:P鏈a采），扭D樣i多為犁i截向的應力在疫i販方向的極化強稅度或跟i瓶面上的電荷密義度（單垃位赴:C/m佳2悼）。恥D星iu賭為時u蔑方向應力引起廳i府面產生電荷時屠的壓電常數（乘單館位門:C/N奉銜）。騰壓電體在任意去方向的力同時擁作用下的全壓司電效應，可由閱下列壓電方程危表示為爺（珍4也）式逝語(里i嫁=1,2,3灘)久繁馬著克虎羽毀廁肢(您4)芽因此，完全異它性壓電體的壓榮電特性，即機李械彈性與電的口介電性之間的積禍耦合特性，門可用壓電常數閘矩陣表示為懸（繭5馬）式歌察江坐吃（顏5曠）她對于不同的壓棉電材料，由于和各向異性的程花度不同，上述湖壓電矩陣頭的概1肉8界個壓電常數中妖，實際獨立存燙在的個數也各壞不同。爬當壓電體自由禮的處在一定方蛾向的外電場諒E傾j寬艦的作用下，其緊逆壓電方程為拿（諷6尼）式岔（像i比=1,2,3臂,4,5,僵6魯）售鄙摟霜揚句（終6永）妄逆壓電方程的社壓電常數矩陣裕是壓電方程壓即電常數的轉置竊矩陣。稿但在實際中，遞壓電體的應變味不僅受到外界孔電場的影響，刑而且還受到應率力的影計響介(導仍然忽略磁場畝和溫度的影漢響長)狂。壓電體的本載構關系即應鉛力養(yǎng)T物和應俱變少S瓣之間的關系可帳表示為薦（癥7肺）式我S遼iu輪=沫s制ui白T市u衣宴(添i,u銜＝梳1,2,3,版4,5,6)散鳴叮抬蓋任（扣7殲）布式中，造s貌ui槽為彈性柔度系蘿數。錫首先取應歇力歇T義和電場強拜度繁E巨為自變量，這老時可得壓電方沖程，見匯（縣8促）式濟濟受奇濾晴困（擋8長）嫌式中，第一項購T骨u搶表示電場強蒼度行E肌為零（或常數謎）時應力對應菜變的影響；第捐二項陣表示電場強度陵對應變的影響矛，其中株表示電場強度我E樸為零（或常數杏）時的彈性柔朵順系數，通常退稱為短路彈性啦柔順系數，單恢位是?。鱩密2益/瞎N感）。懷電位戀移惱D滅也由應力和電襖場強度兩部分賄影響組成，見紫（歪9賴）式涼常牽棉薦云背（刷9查）壩闊槽式中，第一項第是應力造成的火電位移；第二基項素是在應力為零蛋的情況下，電呆場強度影響造娛成的電位移，饑其中憂表示應希力始T臉為爽零敗(棒或常菊數援)常時的介電常數吉，單位西為蓬F/棕m寇。劉壓電效應反映傳壓電材料具有歷將機械能和電統(tǒng)能進行相互轉精換的能力，壓多電方程可將這評種轉換關系定塌量化渡。付PZ事T癢輸出電壓與結乏構應變之間的晉關系，通過鹿測挨PZ類T虛的脈沖電壓信朋號，確定妖結構裂紋的萌課生穴[4]握。蛇2覺散壓電傳感器的鍛原理貿用壓電材料制見作的壓電傳感般器周/鷹驅動器是壓電嫂智能結構的基剃礎。壓電傳感淹器是利用壓電鼻材料的正壓電倚效應，即壓電江材料變形時會徹在兩極感應出尸電荷，把機械憲量轉換成電量頸。壓電驅動器游則是利用壓電湊材料的逆壓電冤效應，通過施謹加控制電壓使譜壓電執(zhí)行器本六身變形來對結患構產生驅動作洞用。壓電智能肆結構中已經開媽始采用某些既嚷作傳感器又作膨驅動器的壓電昨元件，這樣不藝僅可以實現主被動阻尼控制中膀同位配置的要障求，從結構集阿成角度來看，璃還可以大幅度去減少結構中的戚布線震[5]達。園集成于母體結霞構的壓電傳感外器勝/鞠驅動器可以將瞞母體結構的機壇械阻抗耦合到梳自身的電阻抗鄙中，使自身的柏電阻抗可隨母警體結構的機械川阻抗變化而變塞化，通過檢測業(yè)壓電傳感奇器賽/口驅動器本身電統(tǒng)阻抗的變化來胞判斷母體結構點狀態(tài)的改變情貿況。在該技術暮中，壓電傳感陽器便/芽驅動器自身電等阻抗必須對結大構機械阻抗變過化比較敏感，趟且容易集成于冶母體結構中，粘這就需要所采紡用的壓電傳感您器毛/韻驅動器必須具前有很好的機電漏耦合性能并且母在集成于母體法結構后不能對仁原母體結構有脊很大的影響。渡在眾多的壓電睡材料中覽，艦PZ慶T巖具有高的機電滴耦合常數，壓收電常數和介電懲常數，及其它善優(yōu)點，使之成合為試驗和工程件應用的首選材奏料參[6]軌。參3緩符遺傳算法及算狐例利考慮到工程的姓實用性和經濟賭性，應利用盡鳥可能少的傳感劑器獲取全面的貞結構參數信息錄，且提取的特僅征量對結構參版數的變化最為模敏感，這就需汗要進行作動感器心/尚傳感器的優(yōu)化當配置。除了選凍擇適當的優(yōu)化巧配置準則，還咸要選擇適當的存優(yōu)化方法，家如單純形法、密梯度法、動態(tài)扣規(guī)劃法、擬牛剝頓法和非線性擾規(guī)劃優(yōu)化方法廢。但這些方法偶都要用到目標闊函數的變化梯烏度，這對于復愿雜的結構容易吹陷人局部最優(yōu)泥解。遺傳算法冶是一類可用于坦復雜系統(tǒng)優(yōu)化嶄計算的魯棒搜夸索算法，它以集決策變量的編問碼作為運算對灌象尼[8]裙。與傳統(tǒng)的優(yōu)濁化算法相比具殺有很多優(yōu)點，擁如即目標函數蝶不要求連續(xù)、猶抗噪能力強，樸全局最優(yōu)等，醋因此在解決作費動器與傳感器辣優(yōu)化配置這類功組合優(yōu)化問題暗中有廣闊的應祝用前景。段本文以樂某胡2浴0森層鋼筋混凝土陶框架結構為例嫌，阻尼比瘦為濤0.0累5鄙，每層剛度為學各層所有柱抗戲側移剛度之和泛，結構參數見以表館1極。對結構施盤加鍵E嗎l徐-C灰entro吃地震波，得到剃結構的層間位與移時程曲線。君結構的運動方頂程為控（膠1路0蜂）式朽擋垃螺臣惜（碎1呈0瀉）駐式中，誓M內，別C刪和深K涼分別為結構體烏系的質量，阻東尼和剛度矩陣些，計算時采用冒層間剪切模型敢，采煤用舟Reylei梁g駝h屋阻尼；脂，朵和脆分別為結構體揚系的位移，速存度和加速度反猾應向量，狼為地面運動加你速度向量。祥表柜1從澇結構參數炒層揀勒乖數澡1構2浮3灌4碧5膏6襲7儉8涌9代10頓質譜量回×10份4槐/基kg可6寸6心6怪6雁6野3訊6指6睬6印6風剛詢度蔑×10置6珠/kN.m闊-1鵝8.5何8.5暢8.5尸8.5符8.5虹9.5賢7.5島7.5貫7.5剖7.5誰層演壯增數炸11蹈12俗13響14得15購16逢17福18透19系20嚴質量頭×10策4亞/運kg頁6倦4淋6展6疼6六6譽6暑6管6罪2.5隆剛同度糕×10棵6浙/kN.m轎-1瘦7.5盆9纖5.5匪5.5裕5.5擊5.5劑5.5設5.5斗5.5視3.5尊表回2沸敬地震作用下怎第拌i盤層結構最大位添移辟層數瓶1申2廚3食4肯5宣6爺7尾8王9紀10敘位移尾/cm透0.0281途0.0518諷0.0665損0.0794啊0.0966芝0.1087笨0.1219編0.1236鍛0.1158背0.1036庭層數社11晨12賺13呀14住15世16聲17屋18債19投20因位移體/cm甜0.1082邁0.1165版0.1268里0.1348永0.1415秩0.1478描0.1531場0.1567險0.1568姓0.1591隔應用遺傳算法闖優(yōu)堅化漠PZ粗T爺傳感器的位置卸，選擇地震波桃輸入時間域為達遺傳編碼，該峰時刻對應層間堤位移為適應函趣數，假定種群異規(guī)模為鍵20朝個，迭代代數鍬為動2萍0醬代，選擇算子天為適應值比率析選擇，選擇概育率熱為筑0.2寒5尊，采用單點交漲叉方式，每次嘉選搬用靈6跨組基因進行交甘叉，變異算子至選京取標6先組基因變異，穿最后得到每層條位移最大值，汪見鑒表弟2.貸倡對于結遭構架PZ閘T賺傳感器布置，量應優(yōu)先考慮位競移最大的層，硬考慮到經濟性職，由肚表慧2繞可以看出，若軌要配改置松1棵0朵個傳感器則優(yōu)木先布置仁在握2甲0屠層施、拘1態(tài)9式層桑、錄1崇8銳層僵、溉1桂7映層虛、摔1斃6久層搞、桶1授5精層為、劑1備4骨層怨、西1撿3財層甲、男8晚層碌、薄7拐層。4結論仙本文介紹骨了錄PZ腸T份的壓電特性及肚其在工程應用遲中的諸多優(yōu)點導，并用于結構陰的健康監(jiān)測。損壓電方程側使俱PZ先T顧機械能和電能凝之間相互轉換住的能力定量化任，通過測量其拋輸出的電壓脈刺沖信號以確定淹結構內損傷的絡存在及程度，瓜從而實現對結軌構健康實時監(jiān)減測。最后，本瘦文通過一算例昏證明了遺傳算夜法用于健康監(jiān)跨測中傳感器優(yōu)誕化布設的可行漁性及優(yōu)越性。參考文獻:團[1許]芽張鋒屈,酷王身乘木.念蘭壓電晶體傳感渠器激勵模型