结构健康监测的传感器布置优化设计

　　结构安全监测、诊断与维修是突破传统结构设计局限并实现未来结构设计与运行的必然趋势。如何在复杂服役环境中设计结构健康监测系统的高效费比传感器布置方法，已成为当前动力学反问题研究亟待突破的难点。鉴于此，本书的撰写将考虑实际结构在服役过程中结构健康监测传感器布置面临的低信噪比、冗余数据、贫信息等问题，意在揭示低信噪比与冗余数据共存模式下结构响应信息的高效表征机理，主要包括基于非概率理论的传感器布置分析与优化设计、基于多维消冗模型的传感器布置优化设计、传感器布置的多目标优化等三方面内容，以期形成一套结构健康监测中包含系统与测量不确定性、局部密集布置等多种非完备信息下传感器布置建模、分析、优化与设计理论。

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目录
前言
第1章绪论1
1.1传感器布置优化方法研究进展与评述2
1.1.1传感器布置优化方法2
1.1.2传感器布置评价方法8
1.2传感器布置中亟待解决的关键问题8
1.2.1传感器布置输入参数与性能之间的耦合关系8
1.2.2传感器布置的可靠性分析9
1.2.3大规模传感器布置算法的精度、效率与评价10
1.3传感器布置方法的未来发展展望11
1.3.1非完备信息与*优输入参数下传感器布置优化方法11
1.3.2基于信息融合技术的多类型传感器布置方法12
1.3.3传感器布置的多目标优化算法综合设计12
1.3.4基于人工智能的传感器布置优化算法策略13
1.3.5低信噪比、多工况下自适应的监测数据采集系统13
1.4本章小结13
参考文献13
第一篇基于非概率理论的传感器布置分析与优化设计
第2章基于非概率区间可能度的传感器数量确定方法25
2.1引言25
2.2基于Fisher信息矩阵的传感器布置优化适应度函数25
2.3基于区间可能度模型的不确定性传感器数量确定策略26
2.4数值算例28
2.4.1可重复运载器机翼28
2.4.2空间太阳能电站天线板33
2.5本章小结39
参考文献39
第3章基于非概率区间模型的传感器布置分析41
3.1引言41
3.2问题的提出41
3.2.1传感器布置的有效独立法41
3.2.2区间模态分析43
3.3区间Fisher信息矩阵43
3.4基于区间数的传感器布置可能度45
3.4.1两个区间比较的可能度关系45
3.4.2区间比较与实数比较的相容性47
3.4.3传感器布置可能度47
3.5迭代算法流程48
3.6数值算例50
3.6.15自由度剪切刚架结构51
3.6.2平面桁架结构54
3.7本章小结57
参考文献58
第4章传感器布置的非概率区间鲁棒优化60
4.1引言60
4.2非概率区间适应度函数的不确定性传播60
4.2.1非概率区间模态分析60
4.2.2基于Taylor展开的区间Fisher信息矩阵61
4.2.3传感器布置的区间鲁棒优化适应度函数62
4.3非概率区间鲁棒优化问题63
4.4算法流程65
4.5数值算例67
4.5.1剪切刚架结构67
4.5.2简支梁结构72
4.5.3平面桁架结构75
4.6本章小结81
参考文献82
第二篇基于多维消冗模型的传感器布置优化设计
第5章基于一维消冗模型的天线展开模块传感器布置优化87
5.1引言87
5.2空间太阳能电站和天线展开模块介绍87
5.2.1空间太阳能电站87
5.2.2天线阵列、天线单元和天线展开模块87
5.3面向结构健康监测的天线展开模块传感器布置优化设计88
5.3.1布置特点88
5.3.2布置原则88
5.3.3布置方案89
5.4传感器布置的优化目标函数89
5.4.1基于有效间隔指数的优化目标函数89
5.4.2基于有效独立法和有效间隔指数的组合目标函数90
5.4.3基于有效独立法、有效间隔指数与可靠性指标的组合目标函数91
5.5算法流程92
5.6数值算例94
5.7本章小结99
参考文献100
第6章基于分布指数与有限元离散的传感器二维消冗布置方法102
6.1引言102
6.2问题的提出一有限元网格与冗余信息对传感器布置的影响102
6.3传感器布置适应度函数104
6.3.1基于有效独立法的传感器布置性能适应度函数104
6.3.2基于传感器分布指数的消冗信息适应度函数104
6.3.3基于有效独立法与传感器分布指数的组合适应度函数108
6.4基于遗传优化与有限元网格离散的传感器布置双层嵌套优化算法109
6.5数值算例111
6.5.1传感器分布指数的验证111
6.5.2空间太阳能电站天线阵模块的传感器布置112
6.5.3可重复运载器机翼的传感器布置115
6.6本章小结117
参考文献117
第7章基于二维消冗模型与子聚类调整策略的传感器布置优化119
7.1引言119
7.2基于子聚类消冗模型算法的优化目标119
7.2.1传感器布置对消冗模型的要求119
结构健康监测的传感器布置优化设计
7.2.2现有传感器消冗模型的局限性120
7.2.3基于子聚类策略的新型消冗模型121
7.3基于子聚类策略的传感器布置优化方法122
7.3.1传感器布置优化方法组合目标函数123
7.3.2基于子聚类策略和*小包围圆法的求解过程123
7.3.3基于遗传算的法的传感器布置子聚类优化方法流程图126
7.4工程算例126
7.4.1子聚类消冗模型的有效性验证126
7.4.2空间太阳能电站天线展开模块127
7.4.3可重复运载器机翼130
7.5本章小结135
参考文献135
第8章基于三维消冗模型的空间网格结构传感器布置优化137
8.1引言137
8.2基于三维消冗模型的传感器布置优化目标函数137
8.2.1研究动机137
8.2.2三维消冗模型138
8.3组合目标函数139
8.4基于遗传优化算法的空间网格结构传感器布置优化流程140
8.5数值算例141
8.5.1三维消冗模型的验证141
8.5.2地面空间网格结构142
8.5.3空间对接模块146
8.6本章小结150
参考文献150
第三篇传感器布置的多目标优化
第9章基于多种传感器布置的自适应多目标优化方法155
9.1引言155
9.2几种常用的传感器布置优化方法介绍155
9.2.1有效独立法155
9.2.2驱动点残差方法156
9.2.3平均驱动点残差方法156
9.2.4有效独立-驱动点残差方法156
9.2.5特征向量积方法156
9.2.6模态振型求和方法157
9.3结构健康监测的自适应传感器布置优化方法157
9.3.1单目标传感器位置筛选的等效优化格式157
9.3.2基于权重因子和归一化的多目标优化转换方法158
9.3.3基于权重因子更新的迭代优化159
9.3.4权重因子更新过程160
9.3.5多目标传感器布置优化流程161
9.4传感器布置优化的准则162
9.5工程算例162
9.5.1弹簧-质量系统163
9.5.2飞机机翼166
9.5.3空间太阳能电站169
9.6本章小结173
参考文献174
第10章传感器数量决定与布置的多目标优化方法176
10.1引言176
10.2基于区间可能度的传感器数量优化方法176
10.2.1传感器布置方法的不确定性传播176
10.2.2标称系统下的传感器数量优化177
10.2.3传感器数量的区间关系177
10.2.4利用两种传感器布置优化方法决定传感器数量178
10.3传感器布置多目标优化算法179
10.3.1多目标优化算法介绍180
10.3.2多目标传感器布置优化问题的构成187
10.3.3基于改进超体积评估的多目标优化算法187
10.4算法流程188
10.5数值算例190
10.5.1弹簧-质量系统190
10.5.2简支梁193
10.5.3平面桁架195
10.6本章小结199
参考文献199