基于遺傳算法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中壓電陶瓷傳感器優(yōu)化布設(shè)摘要：隨著土木工程結(jié)構(gòu)日益大型化、復(fù)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(jié)構(gòu)參數(shù)重要特征的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，識別結(jié)構(gòu)參數(shù)并監(jiān)測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)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(chǔ)上，主要討論基于遺傳算法的壓電傳感器在高層結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布設(shè)問題。根據(jù)遺傳算法所具有的在處理復(fù)雜問題和非線性問題中特有優(yōu)點，將其應(yīng)用到高層混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系傳感器優(yōu)化布置領(lǐng)域中，并提出了基于遺傳算法的壓電傳感器的優(yōu)化布設(shè)方案，包括布設(shè)傳感器的位置及數(shù)量。為了驗證所述方法的有效性，結(jié)合某20層高層混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，進行數(shù)值仿真分析，驗證了應(yīng)用遺傳算法布設(shè)壓電陶瓷傳感器的可行性和實用性。關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是綜合性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測、評估及預(yù)警系統(tǒng)。建筑結(jié)構(gòu)由于化學腐蝕、應(yīng)力作用、微小撞擊以及熱疲勞等因素影響下，可能產(chǎn)生大量局部損傷及微裂紋。如果不及時檢測出這些局部構(gòu)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(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成嚴重事故。對結(jié)構(gòu)中的局部損傷尤其是表面微小裂紋的監(jiān)測是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)”概念的提出，智能材料不斷地進入土木工程領(lǐng)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(jié)構(gòu)損傷診斷和健康監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。本文的主要目的是利用基于壓電陶瓷的傳感器，實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)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(xiàn)壓電效應(yīng)，當時僅限于壓電單晶材料。壓電材料經(jīng)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(lián)和日本各自獨立發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇（BaTiO3）陶瓷的壓電效應(yīng)，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(xiàn)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(chǎn)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(yīng)的一種數(shù)學描述。并做如下假設(shè)：（1）在討論正壓電效應(yīng)時，忽略外界附加電場的作用；（2）在討論逆壓電效應(yīng)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(zhì)材料，在一定方向上施加機械力作用而產(chǎn)生變形時，就會引起它們內(nèi)部正負電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的極化，從而導(dǎo)致其兩個相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電位移D與外應(yīng)力張量T成正比，見（1）式(1)式中，d為壓電常數(shù)矩陣。若對上述電介質(zhì)施加電場作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正、負電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且應(yīng)變S與外電場強度E成正比，見（2）式(2)島式中，栽d戴t伸為逆壓電狼常數(shù)矩陣蟻。否對于各向己異性的壓鬼電體，其擔單一壓電具效應(yīng)可表鞭示為沈（雙3舍）式丹廢壽迫猛婦奴顧采(3溪)球式中，量i資方向的下借標，為電揀效應(yīng)（強胃度、極化擔）方向的交下標，州i=1,魚2,3尊；稅u馬為力效應(yīng)羞，穴u泥=1塞,2,返3,偏4,5雞肌和呼6;飛T刪u烘為粘u礦方向的外說旋應(yīng)力分瘡量（單誰位址:P郵a孟），腐D獻i孟為市i麗向的應(yīng)力作在派i地方向的極唇化強度或進i散面上的電陣荷密度（苗單牙位宿:C/市m摩2饞）。瘦D忽iu沙為壞u覺方向應(yīng)力墳引起清i塌面產(chǎn)生電恥荷時的壓夕電常數(shù)（括單揭位變:C/舟N太光）。隆壓電體在蠅任意方向推的力同時完作用下的瀉全壓電效院應(yīng)，可由按下列壓電伍方程表示偶為當（蒸4況）式錄礙(蘆i或=1,2響,3)腔宜秧聚攻抽蘿范攀等牌誕(絮4)嫌因此，完樸全異性壓夠電體的壓束電特性，孩即機械彈篇性與電的淘介電性之祝間的禍耦壺合特性，拼可用壓電解常數(shù)矩陣域表示為殼（狼5牙）式昨蔬灶抱朗泉嬸（槍5貍）季對于不同類的壓電材舟料，由于濟各向異性宏的程度不涉同，上述零壓電矩陣客的勢1訓(xùn)8能個壓電常意數(shù)中，實臉際獨立存困在的個數(shù)嶺也各不同磚。羽當壓電體脫自由的處莫在一定方吐向的外電農(nóng)場勉E炭j燈糕的作用下趨，其逆壓脫電方程為樣（挖6束）式樂（筆i畏=1,2蓬,3,4菌,5,蒼6攜）節(jié)澇騙防煉搶婆捷（淡6冊）抖逆壓電方票程的壓電路常數(shù)矩陣始是壓電方西程壓電常極數(shù)的轉(zhuǎn)置創(chuàng)矩陣。柴但在實際壟中，壓電餐體的應(yīng)變句不僅受到廉外界電場川的影響，拉而且還受懷到應(yīng)力的恨影鄙響?yīng)?噴仍然忽略貧磁場和溫肌度的影嚼響撤)確。壓電體氧的本構(gòu)關(guān)殿系即應(yīng)搜力刺T斃和應(yīng)逆變潔S堂之間的關(guān)抓系可表示綢為齊（罵7距）式斤S靠iu豆=殼s勁ui上T趕u禾(到i,u狼＝招1,2,恰3,4,增5,6)逢春非竟長欄倉（墳7摟）許式中，會s軟ui妄為彈性柔叮度系數(shù)。壇首先取應(yīng)情力歲T蒜和電場強陡度撈E霸為自變量充，這時可盈得壓電方賊程，見拘（謀8搏）式像掛醫(yī)慢疊祖籃隔寄（鹿8兼）貫式中，第現(xiàn)一項債T吼u伸表示電場帽強級度求E完為零（或聲常數(shù)）時逗應(yīng)力對應(yīng)夕變的影響綁；第二項搬表示電場銅強度對應(yīng)渾變的影響棒，其中逢表示電場蟲強度澡E雨為零（或紗常數(shù)）時域的彈性柔便順系數(shù)，襖通常稱為睡短路彈性司柔順系數(shù)礙，單位是軌（獵m準2尼/驚N殖）。豈電位襪移跪D長也由應(yīng)力翼和電場強澤度兩部分愧影響組成羅，見術(shù)（銷9牌）式蘇切欲襲伍飯閘瓣律（拴9為）榜瓜戴式中，第單一項違是應(yīng)力造獵成的電位隔移；第二傘項型是在應(yīng)力態(tài)為零的情捷況下，電傲場強度影偏響造成的地電位移，翠其中岔表示應(yīng)平力壯T姜為暖零販(罪或常良數(shù)租)忍時的介電賓常數(shù)，單塞位持為潑F/帝m蓋。名壓電效應(yīng)破反映壓電盯材料具有央將機械能變和電能進誦行相互轉(zhuǎn)赤換的能力大，壓電方逝程可將這壩種轉(zhuǎn)換關(guān)萬系定量化拌。儲PZ磨T載輸出電壓基與結(jié)構(gòu)應(yīng)腸變之間的使關(guān)系，通皂過減測取PZ勝T刻的脈沖電槽壓信號，墾確定巧結(jié)構(gòu)裂紋樣的萌生單[4]唇。婦2頌謹壓電傳感茶器的原理燒用壓電材痛料制作的予壓電傳感屈器武/頸驅(qū)動器是榨壓電智能該結(jié)構(gòu)的基臣礎(chǔ)。壓電有傳感器是租利用壓電蝴材料的正屑壓電效應(yīng)控，即壓電蛙材料變形略時會在兩什極感應(yīng)出處電荷，把聚機械量轉(zhuǎn)勁換成電量危。壓電驅(qū)席動器則是痛利用壓電遣材料的逆茄壓電效應(yīng)銹，通過施累加控制電面壓使壓電劇執(zhí)行器本毛身變形來汗對結(jié)構(gòu)產(chǎn)核生驅(qū)動作刺用。壓電遣智能結(jié)構(gòu)雕中已經(jīng)開北始采用某兔些既作傳惕感器又作狀驅(qū)動器的罵壓電元件全，這樣不醒僅可以實襯現(xiàn)主動阻史尼控制中忽同位配置債的要求，竊從結(jié)構(gòu)集擔成角度來送看，還可司以大幅度滴減少結(jié)構(gòu)嘗中的布線揉[5]僵。走集成于母津體結(jié)構(gòu)的波壓電傳感趕器釣/窗驅(qū)動器可旨以將母體槽結(jié)構(gòu)的機最械阻抗耦利合到自身桶的電阻抗侄中，使自助身的電阻寬抗可隨母饒體結(jié)構(gòu)的江機械阻抗蹦變化而變杏化，通過抄檢測壓電否傳感矛器暢/陡驅(qū)動器本往身電阻抗甜的變化來奪判斷母體諷結(jié)構(gòu)狀態(tài)引的改變情俱況。在該輪技術(shù)中，跟壓電傳感冬器娘/歉驅(qū)動器自業(yè)身電阻抗率必須對結(jié)肚構(gòu)機械阻邁抗變化比筐較敏感，欲且容易集培成于母體騙結(jié)構(gòu)中，瞧這就需要三所采用的傅壓電傳感碧器秒/鞋驅(qū)動器必誘須具有很吼好的機電疊耦合性能文并且在集醒成于母體受結(jié)構(gòu)后不紀能對原母牢體結(jié)構(gòu)有言很大的影捷響。在眾患多的壓電齊材料中頑，幕PZ喝T棒具有高的利機電耦合饒常數(shù)，壓間電常數(shù)和鹿介電常數(shù)缺，及其它予優(yōu)點，使掛之成為試濫驗和工程汪應(yīng)用的首宇選材料倦[6]頂。爭3歇略遺傳算法含及算例服考慮到工答程的實用塵性和經(jīng)濟鞏性，應(yīng)利鍋用盡可能怨少的傳感她器獲取全炮面的結(jié)構(gòu)梨參數(shù)信息音，且提取眾的特征量遭對結(jié)構(gòu)參簽數(shù)的變化鐘最為敏感春，這就需覽要進行作勾動根器沫/峰傳感器的僻優(yōu)化配置萬。除了選娃擇適當?shù)恼?yōu)化配置淚準則，還撿要選擇適景當?shù)募~優(yōu)化方法披，隸如單純形逼法、梯度蘋法、動態(tài)欲規(guī)劃法、抓擬牛頓法向和非線性鋤規(guī)劃優(yōu)化但方法。但慶這些方法毀都要用到譽目標函數(shù)云的變化梯姨度，這對駐于復(fù)雜的引結(jié)構(gòu)容易臥陷人局部炮最優(yōu)解。絮遺傳算法塵是一類可亡用于復(fù)雜糊系統(tǒng)優(yōu)化光計算的魯揭棒搜索算齒法，它以稠決策變量誰的編碼作姥為運算對健象券[8]局。與傳統(tǒng)菠的優(yōu)化算房法相比具把有很多優(yōu)只點，如即吃目標函數(shù)恭不要求連狹續(xù)、抗噪揮能力強，麻全局最優(yōu)胸等，因此某在解決作毒動器與傳異感器優(yōu)化昌配置這類敢組合優(yōu)化拜問題中有狼廣闊的應(yīng)絨用前景?？啾疚囊詯?zāi)程?燦0遼層鋼筋混踐凝土框架略結(jié)構(gòu)為例近，阻尼比份為鍋0.0英5絹，每層剛佳度為各層殖所有柱抗場側(cè)移剛度層之和，結(jié)侮構(gòu)參數(shù)見視表唇1姐。對結(jié)構(gòu)待施碌加老E猶l奔-C盛entr效o停地震波，壁得到結(jié)構(gòu)鄉(xiāng)的層間位伏移時程曲巷線。喚結(jié)構(gòu)的運貧動方程為拼（急1債0望）式植滴沙也局噴秧劣（庸1糞0蘋）蒙式中，及M償，派C高和墨K晴分別為結(jié)檢構(gòu)體系的邊質(zhì)量，阻薄尼和剛度業(yè)矩陣，計程算時采用堪層間剪切津模型，采愧用待Reyl隊eig速h窗阻尼；廣，做和勤分別為結(jié)些構(gòu)體系的絲位移，速嶄度和加速拴度反應(yīng)向腎量，嚷為地面運盆動加速度義向量。取表墓1錄困結(jié)構(gòu)參數(shù)霞層潑起助數(shù)唇1債2姓3場4果5愧6捉7跡8拜9辛10拋質(zhì)胖量脹×10燒4冒/焦kg酬6前6騎6帥6劉6植3愛6次6翅6咳6蝕剛經(jīng)度熄×10土6廢/kN.偷m當-1辜8.5瀉8.5減8.5糕8.5懇8.5訪9.5補7.5軍7.5源7.5邊7.5代層蒼鋸齡數(shù)火11衰12棗13獅14籠15短16茄17銹18銳19贏20吵質(zhì)量填×10夢4鑒/濟kg扛6鈔4奇6乳6靠6雷6籃6散6否6那2.5識剛敢度課×10療6鼠/kN.殃m莖-1呢7.5飼9代5.5央5.5戶5.5適5.5抗5.5般5.5決5.5醒3.5迷表用2享福地震作用啟下邀第沙i伶層結(jié)構(gòu)最龜大位移暈層數(shù)淋1減2匠3拆4晃5杰6敬7爹8送9儉10妥位移坊/cm藍0.02占81表0.05汁18雨0.06命65逆0.07擠94村0.09畢66各0.10飄87唉0.12界19示0.12提36擴0.11顫58敬0.10蛋36韻層數(shù)僑11瓦12劍13孔14夕15感16退17俗18片19蘇20遇位移瓜/cm亡0.10朵82醋0.11卻65愉0.12壯68康0.13間48威0.14指15朝0.14獅78謙0.15稿31振0.15壤67狼0.15笨68剪0.15卷91背應(yīng)用遺傳馳算法優(yōu)工化舟PZ傷T果傳感器的挪位置，選孔擇地震波核輸入時間傍域為遺傳往編碼，該貢時刻對應(yīng)廉層間位移燒為適應(yīng)函淋數(shù)，假定喬種群規(guī)模曉為艘20婆個，迭代變代數(shù)為引2老0探代，選擇慶算子為適擦應(yīng)值比率鏡選擇，選覽擇概率敞為房0.2著5擦，采用單部點交叉方顯式，每次濫選沙用裂6彩組基因進押行交叉，居變異算子脫選虧取紡6遮組基因變齊異，最后栽得到每層朝位移最大歡值，見沫表碑2.補像對于結(jié)上構(gòu)脫PZ定T炸傳感器布謊置，應(yīng)優(yōu)瓣先考慮位象移最大的貼層，考慮株到經(jīng)濟性田，由薦表侍2瘋可以看出嚷，若要配播置壤1冊0火個傳感器氧則優(yōu)先布帶置鉤在燕2昨0鵝層索、路1排9辟層削、驕1除8吳層確、體1懶7唇層覽、嚼1畫6放層冰、銳1飼5買層程、濾1剩4獻層映、吼1綢3蹤層訊、史8同層繁、擔7簡層。4結(jié)論甜本文介紹談了畝PZ帶T騾的壓電特容性及其在草工程應(yīng)用始中的諸多浴優(yōu)點，并罵用于結(jié)構(gòu)色的健康監(jiān)焦測。壓電筋方程孕使奔PZ易T年機械能和行電能之間皂相互轉(zhuǎn)換兵的能力定上量化，通脊過測量其今輸出的電趕壓脈沖信偶號以確定查結(jié)構(gòu)內(nèi)損辯傷的存在鉆及程度，釘從而實現(xiàn)稍對結(jié)構(gòu)健選康實時監(jiān)兔測。最后量，本文通芽過一算例端證明了遺石傳算法用遣于健康監(jiān)嶼測中傳感王器優(yōu)化布叼設(shè)的可行嫩性及優(yōu)越脂性。繁參考文該獻祥:偉[1猴]傳張鋒久,走王邀乘波.懲壓電晶體夠傳感