CN115964787A

CN115964787A - 基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法

Info

Publication number: CN115964787A
Application number: CN202211678919.7A
Authority: CN
Inventors: 张爱林; 王杰; 张艳霞; 赵曦; 马浩; 邹明; 武丙龙
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2042-12-26
Also published as: CN115964787B

Abstract

本申请公开了一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，利用预处理算法将初始几何模型移动至空间原点，通过截面分割算法提取截面分割模型。计算穿索式脊杆设计几何模型，提取纵向、切向初始几何缺陷。通过纵向缺陷分析算法获取纵向缺陷规律、缺陷幅值模型、初始纵向缺陷数据模型；通过切向缺陷分析算法统一切向初始几何缺陷相位，同时统计截面分割模型各截面初始相位规律，通过相位重分布获得初始切向缺陷数据模型。将纵向、切向初始缺陷数据模型叠加，表征穿索式脊杆初始几何缺陷。本发明基于实测的高精度数据提取初始几何缺陷，精度效率及数字化程度高，为随机分析理论、结构安全稳定实时评估等提供关键技术支撑。

Description

基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法。

背景技术

大跨度钢结构体系创新和重大工程应用是衡量一个国家建筑业现代化水平及综合国力的重大标志。穿索式脊杆环撑索穹顶结构作为新型的大跨空间结构体系，具有受力合理、刚柔并济、施工周期短、污染低等优点，极大地推进智能绿色建筑发展，助力碳达峰碳中和目标。其中，穿索式脊杆作为该索穹顶的典型构件，由钢索、脊杆通过螺栓装配在一起。然而，在预制生产、运输安装过程中，难免会产生穿索式脊杆初始几何缺陷。作为结构的基本承力单元，穿索式脊杆的初始几何缺陷会影响其承载能力，进而影响结构的稳定性，因此如何高精度提取、分析与表征初始几何缺陷成为关键科学问题。

针对穿索式脊杆初始几何缺陷提取，一方面，传统方法基本采用物理硬接触方式，精度差、效率低、数字化程度不足；另一方面，以概率理论为基础的初始几何缺陷模拟，未基于实测数据反而造成设计浪费等问题。因此，有必要研发一种基于真实测量的高精度数据来提取表征穿索式脊杆初始几何缺陷，具备快速高效、精确实际的特点，用于准确预测穿索式脊杆承载力，为随机分析理论、结构安全稳定实时评估等提供关键技术支撑，推动结构智能数字化发展，促进建筑业转型升级和智能建造高质量发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其解决传统接触测量方法精度差、效率低、数字化程度不足等现实问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，包括：

S1：利用预处理算法将穿索式脊杆初始几何模型移动至空间原点，同时通过截面分割算法提取截面分割模型；

S2：计算获得穿索式脊杆设计几何模型，提取所述穿索式脊杆初始几何模型的纵向初始几何缺陷数据集{VD}；对所述截面分割模型进行坐标转换，提取切向初始几何缺陷数据集{TD}；

S3：通过纵向缺陷分析算法获取{VD}的缺陷规律，频域转换后获得缺陷幅值模型f_V(ω)，随机模拟后时域转换获得初始纵向缺陷数据模型F_V(z)；

S4：通过切向缺陷分析算法统一{TD}相位并获取一般规律表达；同时获取截面分割模型各截面初始相位并统计规律，通过相位重分布获得初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)；

S5：将初始纵向缺陷数据模型F_V(z)和初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)叠加，表征穿索式脊杆初始几何缺陷。

进一步地，步骤S1中，所述截面分割模型获取的方法为：在指定高度上随机在穿索式脊杆初始几何模型中选择两个点，根据两点拟合模型方程进行获取。

进一步地，步骤S2中，穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷包括：沿穿索式脊杆初始几何模型轴向的初始几何缺陷，表征穿索式脊杆的初始整体弯曲。

进一步地，步骤S2中，穿索式脊杆初始几何模型切向初始几何缺陷包括：垂直于穿索式脊杆初始几何模型轴向的截面几何缺陷，表征截面初始几何特征波形变化及在预制生产、运输安装过程中产生的局部几何缺陷。

进一步地，步骤S3中，通过纵向缺陷分析算法获取{VD}的缺陷规律，包括：通过纵向缺陷分析算法读取纵向初始几何缺陷数据集{VD}，统计其纵坐标差值。

进一步地，步骤S3中，频域转换后获得缺陷幅值模型f_V(ω)，包括：对数据集{VD}频域函数值取平均，对频域转换后的数据进行拟合，得到纵向初始几何缺陷幅值模型f_V(ω)。

进一步地，步骤S4中，通过相位重分布获得初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)，包括：按照统计的规律数据对截面分割模型按照相位差的方法在模型轴向方向完成截面的初始定位。

进一步地，步骤S4中，获取截面分割模型各截面初始相位并统计规律，包括：拟合各截面初始相位规律。

进一步地，步骤S4中，统计规律包括：统计初始相位与穿索式脊杆长度之间的线性分布规律。

本发明的有益效果为：

实现简单，通过基于实测的高精度数据统计海量数据规律来提取穿索式脊杆初始几何缺陷，其中涉及预处理算法、截面分割算法、纵向缺陷分析算法、切向缺陷分析算法，能够高效地处理、计算、分析海量实测数据，同时并改善传统方法依赖随机模拟获取海量数据的不足。此外，在提取纵向、切向初始几何缺陷方法中，引入设计几何模型与转换坐标形式的方法，解决了传统计算方法依赖通用软件或者运算步骤复杂的缺点。同时，在纵向缺陷分析时考虑频域、时域转换，更加精确地统计纵向初始缺陷幅值影响；在切向缺陷分析时引入相位重分布的方法，创新性地将截面分割模型与纵向初始相位相关联，更加精确地定位截面切向初始几何缺陷。基于上述思想与方法，快速分析后表征穿索式脊杆的初始几何缺陷，为随机分析理论、结构安全稳定实时评估等提供一种基于实际测量的高精度初始几何缺陷数据，推动大跨空间结构与构件智能数字化，促进韧性结构、绿色建筑、智慧城市高质量发展。

附图说明

图1是本发明的一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法的流程图；

图2为本发明实施例的穿索式脊杆初始几何模型示意图；

图3为本发明实施例的穿索式脊杆初始几何模型移动后示意图；

图4为本发明实施例的截面分割模型示意图；

图5为本发明实施例的穿索式脊杆设计几何模型示意图；

图6为本发明实施例的纵向初始几何缺陷数据集{VD}一般规律示意图；

图7为本发明实施例的切向初始几何缺陷数据集{TD}示意图；

图8为本发明实施例的切向初始几何缺陷数据集{TD}统一相位后一般规律示意图；

图9为本发明实施例的截面分割模型各截面初始相位一般规律示意图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

本发明提供一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，包括：

S2：计算获得穿索式脊杆设计几何模型，提取初始几何模型纵向初始几何缺陷数据集{VD}；对截面分割模型进行坐标转换，提取切向初始几何缺陷数据集{TD}；

在本发明提供的优选实施例中，步骤S1具体为，利用预处理算法将穿索式脊杆初始几何模型移动至空间原点，同时通过截面分割算法提取截面分割模型。

优选地，穿索式脊杆初始几何模型，主要是指由三维空间坐标、方向向量组成的物理模型，有时还会包含反射强度值及RGB值。穿索式脊杆初始几何模型反映其在制作、运输与安装时的实际物理状态，包含初始几何缺陷。该模型可通过RGB图像叠加深度图像转换、三维激光测绘、光学相机多视角重建等高精度视觉技术获取。如图2所示，本发明实施例给出4种优选尺寸的穿索式脊杆初始几何模型，但不局限于本发明实施例的尺寸种类。

优选地，预处理算法的功能是读取穿索式脊杆初始几何模型，获取其空间位置并将模型移动至空间原点，即穿索式脊杆轴线中点与空间原点重合。

进一步地，算法操作的具体过程为：

将模型移动至空间原点，则设定目标函数为：

其中，(x_l,y_l,z_l)表示穿索式脊杆轴线中点，(0,0,0)表示空间原点。

平移迭代m次后，穿索式脊杆初始几何模型坐标值为：

其中，(x'^(m),y'^(m),z'^(m))表示穿索式脊杆初始几何模型迭代m次的初始坐标值，(x^(m),y^(m),z^(m))表示穿索式脊杆初始几何模型迭代m次的坐标值。

具体地，将本发明实施例给出的4种优选尺寸的穿索式脊杆初始几何模型按照上述方法将模型移动至空间原点，其结果如图3所示。

优选地，截面分割算法功能是对穿索式脊杆初始几何模型直接按照指定间距进行分割出横截面，形成截面分割模型，其中横截面由迭代点组成。具体地，截面分割模型获取的方法为：

在指定高度上随机在穿索式脊杆初始几何模型中选择两个点(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)，根据两点拟合模型方程：

其中，a、b、c、d表示模型方程分项系数，z表示模型方程z坐标初始参考值。

设定误差阈值ξ，将[z-ξ,z+ξ]内的所有点嵌套到拟合模型中，进一步迭代上述步骤，直到满足拟合模型点数最多结束。重复上述步骤，按照设定间距把所有截面均分割出来，组成截面分割模型。

具体地，将本发明实施例给出的4种优选尺寸的穿索式脊杆初始几何模型通过截面分割算法获取截面分割模型，其结果如图4所示，结果显示该4种优选尺寸的穿索式脊杆截面分割模型的长度、分割截面形态以及数量等，而脊杆初始几何缺陷均包含在该截面分割模型当中，并通过截面分割模型提取，达到数据的轻量化，提高了运算速率。

进一步地，在本发明提供的优选实施例中，继续实施步骤S2，具体为：根据截面分割模型计算获得穿索式脊杆设计几何模型，通过与穿索式脊杆设计几何模型对比计算，提取穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷数据集{VD}；对截面分割模型进行坐标转换，提取切向初始几何缺陷数据集{TD}。

优选地，穿索式脊杆设计几何模型，是与穿索式脊杆初始几何模型相对而言的，其初始几何特征是设计值，不包含初始几何缺陷，可以通过BIM技术建立，也可以使用本发明所提出的根据截面分割模型计算建立。

优选地，穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷，是指沿穿索式脊杆初始几何模型轴向(一般指z向)的初始几何缺陷，表征穿索式脊杆的初始整体弯曲，纵向初始几何缺陷数据集用{VD}表示。

优选地，穿索式脊杆初始几何模型切向初始几何缺陷，是指垂直于穿索式脊杆初始几何模型轴向的截面几何缺陷，表征截面初始几何特征波形变化及在预制生产、运输安装过程中产生的局部几何缺陷，切向初始几何缺陷数据集用{TD}表示。

进一步地，根据截面分割模型计算获得穿索式脊杆设计几何模型，算法方程为：

其中，[x_i,y_i,z_i]表示构成穿索式脊杆设计几何模型点坐标，[α_i]、[β_i]表示初始几何模型截面点的方向角，[l_i]表示分割截面设计长度，[z]表示初始几何模型z坐标值。

通过上述算法方程计算本发明实施例给出的4种优选尺寸的穿索式脊杆初始几何模型对应的穿索式脊杆设计几何模型，其结果如图5所示，计算出的穿索式脊杆设计几何模型的长度、截面尺寸等参数均是设计值，与实际测量的穿索式脊杆初始几何模型形成对比。以往通过其他专业软件建模获得设计几何模型，在后续对比计算分析中不兼容并费时，而通过本发明的算法计算设计几何模型适用性得到连续。

进一步地，与穿索式脊杆设计几何模型对比计算，提取穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷数据集{VD}，方程为：

{VD}＝{ε_V}-{δ_V} (5)

其中，{VD}表示纵向初始几何缺陷数据集，{ε_V}为穿索式脊杆设计几何模型纵向截面形心坐标数据集，{δ_V}为穿索式脊杆初始几何模型纵向截面形心坐标数据集，{ε_V}、{δ_V}均采用最小二乘法拟合得到。

进一步地，对截面分割模型进行坐标转换，算法方程为：

λ＝atan(x'_xi,y'_xi) (6)

其中，(x'_xi,y'_xi)表示构成截面分割模型点的坐标，λ表示坐标基准值，[x_i',y_i']表示坐标转换后构成截面分割模型点的坐标。其中，z坐标不变。

进一步地，与穿索式脊杆设计几何模型对比计算，提取穿索式脊杆初始几何模型切向初始几何缺陷数据集{TD}，算法方程为：

ρ_i＝l_i-y_i' (9)

{TD}＝{x_i',ρ_i} (10)

其中，x_i'、y_i'表示坐标转换后构成截面分割模型点的x、y坐标值，l_i表示分割截面设计长度，ρ_i表示切向初始几何缺陷y坐标值。

进一步地，在本发明提供的优选实施例中，继续实施步骤S3，具体为：通过纵向缺陷分析算法获取{VD}的缺陷规律，频域转换获得缺陷幅值模型f_V(ω)，随机模拟后时域转换获得初始纵向缺陷数据模型F_V(z)。

优选地，纵向缺陷分析算法具备读取纵向初始几何缺陷数据集{VD}，统计数据集的一般规律，频域转换与时域转换，数据模型拟合等功能。

具体的，根据本发明实施例提取的穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷数据集{VD}，具体分析过程为：

首先，通过纵向缺陷分析算法读取纵向初始几何缺陷数据集{VD}，统计其一般规律，如图6所示，经研究发现，该规律纵坐标差值一般在10％以上，需要并对该规律数据进行频域转换处理，如下式所示：

其中，f_{VD}(ω)表示数据集{VD}频域函数；f_{VD}(z)表示数据集{VD}时域函数；ω表示频域；z表示时域，也即构件轴向方向坐标；e表示数学常数；k＝1,2,3……。

进一步地，对频域转换后的数据进行拟合，得到纵向初始几何缺陷幅值模型f_V(ω)：

f_V(ω)＝f[avg. f_{VD}(ω)_i] (12)

其中，f_V(ω)表示纵向初始几何缺陷幅值模型；f表示函数符号；avg.f_{VD}(ω)_i表示对数据集{VD}频域函数值f_{VD}(ω)_i取平均。

最后，对f_V(ω)随机模拟，时域转换处理获得纵向初始几何缺陷数据模型F_V(z)：

其中，F_V(z)表示纵向初始几何缺陷数据模型；f_V(ω)表示纵向初始几何缺陷幅值模型；ω表示频域；z表示时域，也即构件轴向方向坐标；e表示数学常数；k＝1,2,3……。

进一步地，在本发明提供的优选实施例中，继续实施步骤S4，具体为：通过切向缺陷分析算法统一{TD}相位并获取一般规律表达；同时获取截面分割模型各截面初始相位并统计规律，通过相位重分布获得初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)。

优选地，切向缺陷分析算法具备读取切向初始几何缺陷数据集{TD}，统计数据集的一般规律，求解初始相位并统一多重相位，相位重分布并拟合数据模型等功能。

具体的，根据本发明实施例提取的穿索式脊杆初始几何模型切向初始几何缺陷数据集{TD}，通过相位统一与重分布关键方法，按照统计的规律数据对截面分割模型按照相位差的方法在模型轴向方向完成截面的初始定位，从而实现穿索式脊杆切向初始几何缺陷提取、表征与重建，具体过程为：

首先，通过切向缺陷分析算法读取切向初始几何缺陷数据集{TD}，读取的结果如图7所示，结果显示各截面数据之间存在明显的相位差，无法直接根据初始相位确定各截面的初始切向缺陷位置状态，因此需要统一多重相位、统计其一般规律并拟合其表达式，具体的方程为：

Δμ₁＝max[x_i'(ν:end)]-min[x_i'(ν:end)] (14)

Δμ₂＝max[x_i'(1:ν)]-min[x_i'(1:ν)] (15)

f_{TD}＝asinbθ (19)

其中，x_i'表示切向初始几何缺陷数据集{TD}的x坐标值；ν表示ρ_i≤0时第一个小于0的元素对应的x_i'索引值；Δμ₁表示最大相位差；Δμ₂表示最小相位差；m₁表示统一相位横坐标分割段1；m₂表示统一相位横坐标分割段2；n₁表示统一相位纵坐标分割段1；n₂表示统一相位纵坐标分割段2；(X_i',Y_i')表示多重相位统一后的切向初始几何缺陷数据集{TD}坐标值；f_{TD}表示切向初始几何缺陷数据集{TD}一般规律表达式；a、b表示表达式系数；θ表示弧度。

如图8所示，通过上述方法对切向初始几何缺陷数据集{TD}进行了多重相位统一并统计了其一般规律，可以知道切向初始几何缺陷符合标准正弦规律，通过相位统一的方法很容易获取其表达式，因此根据该结果与公式(19)进行表达式拟合，结果为：

f_{TD}＝-0.884sin(0.989θ) (20)

其中，f_{TD}表示切向初始几何缺陷数据集{TD}一般规律表达式；θ表示弧度。

进一步地，获取截面分割模型各截面初始相位并统计规律，拟合各截面初始相位规律表达式：

其中，

表示初始相位；angle表示计算相位角命令；

表示各截面初始相位规律表达式；p、q表示初始相位规律表达式系数；z表示穿索式脊杆长度变量，即纵坐标。

优选地，根据公式(21)、(22)对本发明实施例提取的数据进行计算、拟合，结果如图9所示，“圆圈”符号代表了初始相位数据，可以发现初始相位与穿索式脊杆长度具有相关性，其规律符合线性分布，因此根据该结果拟合直线(图9中使用虚线表示)，同时可快速拟合直线表达式，则本发明实施例的各截面初始相位规律表达式为：

其中，

表示各截面初始相位规律表达式；z表示穿索式脊杆长度变量，即纵坐标。

最后，通过相位重分布叠加{TD}一般规律获得初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)：

其中，F_T(θ,z)表示初始切向缺陷数据模型；a、b表示模型系数；θ表示弧度；

表示各截面初始相位规律。

进一步地，在本发明提供的优选实施例中，继续实施步骤S5，具体为：将初始纵向缺陷数据模型F_V(z)和初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)叠加，表征穿索式脊杆初始几何缺陷。

具体地，初始纵向缺陷数据模型F_V(z)和初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)叠加公式为：

F_D＝F_V(z)+F_T(θ,z) (25)

其中，F_D表示穿索式脊杆初始几何缺陷；F_V(z)表示初始纵向缺陷数据模型；F_T(θ,z)表示初始切向缺陷数据模型。

本发明的有益效果：

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S1中，所述截面分割模型获取的方法为：在指定高度上随机在穿索式脊杆初始几何模型中选择两个点，根据两点拟合模型方程进行获取。

3.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S2中，穿索式脊杆初始几何模型纵向初始几何缺陷包括：沿穿索式脊杆初始几何模型轴向的初始几何缺陷，表征穿索式脊杆的初始整体弯曲。

4.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S2中，穿索式脊杆初始几何模型切向初始几何缺陷包括：垂直于穿索式脊杆初始几何模型轴向的截面几何缺陷，表征截面初始几何特征波形变化及在预制生产、运输安装过程中产生的局部几何缺陷。

5.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S3中，通过纵向缺陷分析算法获取{VD}的缺陷规律，包括：通过纵向缺陷分析算法读取纵向初始几何缺陷数据集{VD}，统计其纵坐标差值。

6.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S3中，频域转换后获得缺陷幅值模型f_V(ω)，包括：对数据集{VD}频域函数值取平均，对频域转换后的数据进行拟合，得到纵向初始几何缺陷幅值模型f_V(ω)。

7.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S4中，通过相位重分布获得初始切向缺陷数据模型F_T(θ,z)，包括：按照统计的规律数据对截面分割模型按照相位差的方法在模型轴向方向完成截面的初始定位。

8.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S4中，获取截面分割模型各截面初始相位并统计规律，包括：拟合各截面初始相位规律。

9.根据权利要求1所述的基于相位重分布的穿索式脊杆初始几何缺陷提取表征方法，其特征在于，步骤S4中，统计规律包括：统计初始相位与穿索式脊杆长度之间的线性分布规律。