結構變形監測的案例
結構變形監測與三維實時渲染技術
它的難點主要集中在：設計合理的配置信息，保證通道和測點的對應性；高頻采集的數據快速處理；數據采集過程中，曲線以及其他可視化的同步渲染；設計合理的數據結構，保證物理量-通道-原始數據-處理后數據流轉便捷通暢。
數據融合方法
目前攝影測量、高精度陀螺儀等新的測量技術已經開始應用于結構試驗，這些設備自身的測量坐標系與機翼坐標系不同，測量的位移結果就需要做坐標系轉換。
可以借助第三方測量設備（單相機、跟蹤儀等）完成全局坐標系構建，將傳感器和機翼坐標結果都統一到一個坐標系中。通過超過三個公共點就可以建立轉換關系，為了提升精度，可以布置多個公共點，通過配準算法完成轉換。
插值方法
實際測量中，布置的位移測點是有限的，我們不可能得到機翼上所有點的位移。這就存在如何用少量測點插值出整個翼面位移的問題。
可以選用的插值方法也很多，比如徑向基函數方法、梁模型方法等，集成到實時渲染模塊即可。
實時渲染
在完成上述步驟后，此時已經得到了模型上各個節點的位移。我們采用VTK庫實現機翼三維變形的刷新以及變形云圖的渲染。
工作室自研的多源數據采集平臺
可能的數字孿生方向
對于數字孿生，除了概念之外，我們首先要確定它應該用什么用途，可以為我們解決哪些現實問題。
單就上述案例而言，盡管我們使用了插值手段得到了翼面的變形分布，但是和仿真相比，實測點畢竟還是少數。為此我第一個能想到的就是引入仿真結果，作為非實測點的補充，以提升插值精度。
其次，實測的數據可以用于驅動仿真。此時我們可以同步接入有限元求解器，將實測數據作為邊界條件加載到有限元求解器中，以更準確的評估結構受力。
展開 隧道變形在線監測過程中應用的光纖應變傳感器
隧道及地下工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形。巖爆是一種硬巖在高地應力下的脆性破壞；坍塌和掉塊是圍巖受一定結構控制下的局部變形破壞現象；而圍巖大變形可以界定為除了巖爆運動脆性破壞和圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞以外的圍巖變形破壞，其特點是具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。有拱頂的沉降變形，相應的就會有偏壓引起的拱腳、側墻的變形，膨脹系數大的圍巖還會有仰拱變形隧道是埋置于地層內的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。隧道可分為交通隧道，水工隧道，市政隧道，礦山隧道。
隧道監測的目的 :
隧道施工中的監控量測是保障工程建設的安全、質量、地面車輛以及沿線建筑和管線正常運行的重要手段。
監測目的大致分為：
掌握監測工程對周圍環境的影響，主要為地表沉降，地上建筑物沉陷等。
掌握圍巖在施工中的動態，控制圍巖變形，指導施工作業。
確認支護參數和施工方法的合理性、準確性，為初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供依據，驗證支護結構效果。以便及時確定施工對策和措施，以確保安全地施工。
校核地下工程理論計算結果，為理論解析、數值分析提供計算數據與對比指標；為優化設計提供依據，保證隧道既穩定又經濟。通過量測了解該工程條件下所表現、反映出來的一些地下工程規律和特點，為今后類似工程或工法本身發展提供借鑒、依據和指導作用。
隧道洞內外觀測:
在每個開挖面進行，特別是在軟弱破碎圍巖條件下，開挖后由隧道工程師和地質工程師立即進行地質調查，觀察后繪制開挖工作面略圖（地質素描），填寫工作面狀態記錄表及圍巖級別判定卡。
開挖后未被支護圍巖的觀測，如節理裂隙發育程度及其方向；開挖工作面的穩定狀態，頂板有無坍塌；涌水情況：位置、水量、水壓等；底板是否有隆起現象。
展開 光纖應變傳感器在土木工程結構監測中的應用解決方案
大型土木工程結構和基礎設施,如橋梁、超高層建筑、人跨空間結構、大型水壩、核電站、海洋采油平臺以及輸油、供水.供氣等生命線系統,由于環境荷載作用，在其服役過程中一旦發生災害,將給人民的生命和財產造成巨大的損失。因此,對重要結構的無損檢測與無損評價顯得越來越重要。然而,由于土木工程結構和基礎設施體積人、跨度長、分布面積人、使用期限長，傳統的傳感設備紐成的監測系統的穩定性和耐久性都不能很好地滿足工程實際的需要。
隨著科技的不斷發展，近幾年國際上新興的一門智能結構系統是多學科交叉發展的前沿研究領域,它是將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中,使之成為具有人們所期望的智能功能的結構智能結構集成有傳感、作動和控制系統,能夠進行自我感知自我診斷和自我調節,從而使結構能夠對內部狀態的變化和外部環境的激勵作出恰當的反應。如今將其集成或應用于傳統的土木工程結構中,就會使土木工程結構具有像智能結構那樣的自感知和自適應等諸多智能屬性的可能也成為現實。
智能材料結構系統中常用的傳感材料主要有壓電、形狀記憶合金和光導纖維材料。由于光導纖維材料具有徑細柔韌、體積小質量輕、靈敏度高抗電磁干擾能力強能耗小、造價低廉便于實現分布式和準分布式檢測、集信息傳輸和傳感于一體等特點,加之寬頻帶和高數據傳輸率以及耐高溫、抗腐蝕等優良特性,一直被認為是智能結構系統中的首選傳感材料,并已經開始應用于土木工程結構中的“神經元”。
展開 基于視覺傳感器網絡的結構健康監測新技術
為了從捕捉到的圖像中得到目標的物理位移，實際結構的坐標系與圖像像素級別的坐標系之間的關系需要建立：
上圖中就是一個完整的視覺傳感系統，以后我們再遇到類似的場景，便會想到除了拍攝橋梁美景的攝影師之外，還可能是東明兄正在海風中苦苦地搜集數據呢
視覺傳感系統在結構監測中的應用
盡管視覺傳感系統在結構健康監測中的應用算是剛剛起步，但已經有了不少可喜的嘗試：
結構模態特性識別：結構健康監測通常都是通過振動測量來進行結構模態屬性識別的，然而利用拾振器開展的測量，只能在結構上布置為數不多的測點，而視覺傳感系統則可以實現用一套攝像機設備同時監測結構上多個點的振動行為，從而在模態識別方面得到更精確、更符合實際結構情況的結果。
模型更新和損傷檢測：通過視覺傳感系統，可以采集結構的自振頻率、振型、阻尼比等參數，用于結構的有限元模型的更新，進而進行結構損傷的模擬和識別。
預測索力：對于采用拉索為主要受力構件的斜拉橋來說，索力的準確測量非常重要。傳統的索力測量方法是采用基于振動原理的索力儀，這種設備安裝繁瑣，價格昂貴，而且并不是每次測試都能達到理想的精度。然而采用視覺傳感系統，則可以顯著降低量測系統的成本。
展開 
張工聊光纖 | 光纖傳感器和常規電阻應變片在結構監測上的對比
光纖傳感器系統為基礎設施工程師們提供了和當代結構材料疲勞特性相一致的疲勞極限測試。比如輕質碳纖維板與傳統的結構材料相比具有更高的疲勞和應變極限；即使更廣泛使用的鋼鐵、混凝土和木材，也通過不斷改造優化其疲勞特性，從而同樣需要更高疲勞特性的監測系統。
應用案例
1）監測巴西圣保羅地鐵線路的隧道變形和收斂特性
HBM FiberSensing 公司幫助設計了一個傳感器網絡用于實時監測在巴西圣保羅一條運行的地鐵線路的隧道變形和收斂特性，附近一個高層建筑正在施工建設。隧道監測系統要保證高層建筑支撐墻的挖掘和施工過程不能影響地鐵運行，同時確保乘客的安全。確定隧道收斂性的引伸計方法在這個項目中使用布拉格光柵傳感器來測量在隧道不同點的應變值并轉換為隧道支撐的位移量。同時能量化這些支撐的收斂特性和幾何尺寸隨時間的變化。
圖3 隧道監測某個測量面的安裝
對隧道的兩個截面實施監測，每個截面有7個測量點，每個測量點安裝一個應變傳感器和一個溫度傳感器。一臺4通道、機架安裝式FS22解調儀用來借解調所有的傳感器，數據每分鐘采集一次，處理后保存在一個數據庫。一個19寸機架安裝在附近保護測量單元、服務器PC、UPS電源和互聯網連接裝置。被測的波長值經過計算得到經過溫度補償的應變值和評估的收斂特性。
2）監測阿爾及利亞索拉大橋的應變和溫度測量
一套HBM FiberSensing公司的應變和溫度測量系統用于長期監測阿爾及利亞康斯坦丁Rhumel河上一座長1.1公里的索拉大橋。
展開 哥本哈根大學開發新的生物3D打印方法監測復雜的組織結構
由哥本哈根大學生物系教授領導的國際研究團隊開發了一種新的生物3D打印方法，用于監測復雜的組織結構。
教授與德國的同事一起，將氧敏感納米粒子用于凝膠材料，可用于復雜，生物膜和組織樣結構的3D打印。活細胞以及內置化學傳感器。
3D打印是一種廣泛的技術，用于生產塑料，金屬和其他非生物材料中的物體。同樣，活細胞可以用生物相容性凝膠材料（bioinks）進行3D打印，這種3D生物打印是一個快速發展的領域，例如在生物醫學研究中，干細胞以3D打印結構培養，模仿組織和骨骼的復雜結構。這種嘗試缺乏對生物打印結構中生長的細胞代謝活動的在線監測，目前，這種測量很大程度上依賴于破壞性采樣。目前開發的解決方案正在申請專利。
在水凝膠中含有綠藻（衣藻）的生物3D打印結構。圖片：Anja Lode，德累斯頓工業大學
該小組通過將發光氧敏感納米顆粒實施到印刷基質中來開發功能化生物鏈。當藍光激發納米粒子時，它們發出與局部氧氣濃度成比例的紅色發光 - 氧氣越多，紅色發光越少。可以用相機系統對生物打印的生物結構上的紅色發光和因此氧的分布進行成像。這允許氧氣分布和動力學的在線，非侵入性監測，其可以映射到3D生物打印構造中的細胞的生長和分布，而無需破壞性取樣。
重要的是納米粒子的添加不會改變生物聚合物的機械性能，例如在印刷過程中避免細胞應力和死亡。
最近發表的研究證明了如何校準和使用用傳感器納米顆粒功能化的bioinks，例如，用于監測具有一種或幾種細胞類型的生物打印結構中的藻類光合作用和呼吸作用以及干細胞呼吸。
這是3D生物打印的一個突破。
展開 帶變形縫結構和多塔結構怎么計算？
（一）帶變形縫結構的計算
⑴帶變形縫結構的特點：
①通過變形縫將結構分成幾塊獨立的結構。
②若忽略基礎變形的影響，各單元之間完全獨立。
③縫隙面不是迎風面。
⑵計算方法：
①整體計算的注意事項：
a）在SATWE軟件中將結構定義為多塔結構；
b）所給振型數要足夠多，以保證有效質量系數＞90％；
c）定義為多塔后，對于老版本軟件，程序將對每一個縫隙面都計算迎風面，因此風荷載計算偏大；新版本軟件增加了一項新的功能．即可以人為定義遮擋面．從而有效地解決了這一問題。
d）周期比計算有待商討。
②分開計算的注意事項：
a）舊版軟件除風荷載計算有些偏大外，其余結果都沒問題，新版軟件定義遮擋面后，風荷載計算也沒有問題了。
b）一般而言，對于基礎連在一起的帶變形縫結構，由于基礎對上部結構整體的協調能力有限，所以建議采用分開計算。
（二）大底盤多塔結構的計算
⑴大底盤多塔結構的特點：
①各塔樓擁有獨立的迎風面。
②各塔樓之間的變形沒有直接影響，但都通過大底盤間接影響其他塔樓。
③塔樓與剛性板之間沒有—一對應關系，一個塔樓可能只有一塊剛性板，也可能有幾塊剛性板。
④大底盤頂板應有足夠的剛度以協調各塔樓之間的內力、變形和位移。
⑵計算方法：
①在SATWE軟件中將結構定義為多塔結構；
②位移比、大底盤以上的各塔樓的剛度比均正確；
③周期比、轉換部位的剛度比計算有待商討。
⑶大底盤多塔結構剛度比的計算方法：
大底盤多塔結構在大底盤與各主體之間的剛度比如何計算規范并沒有說明，但也沒有說不要求。
展開 對某除塵設備進行有限元熱力分析，使用ABAQUS對整體結構強度及熱膨脹變形值進行分析，指導結構加固及膨脹節選型 ￥15
煙道結構
煙道壁厚5mm，圖1為煙道結構及其支座示意圖、除塵器支座設置示意圖。
圖1 袋除塵煙道結構及其支座、除塵器支座設置示意圖
建立模型
由于進氣煙道與殼體之間沒有膨脹節，因此需要考慮殼體的熱膨脹對煙道的影響，殼體已經過計算滿足要求，本模型無需建立加強筋等部件，如圖2所示。出氣煙道與除塵器之間設置有膨脹節，故單獨建立出氣煙道模型，如圖3所示。
圖2 建立進氣煙道及除塵器殼體幾何模型
圖3 建立出氣煙道幾何模型
約束條件
進氣煙道支座及除塵器支座約束如圖4所示，其中標記的為固定約束，未標記的除塵器支座及煙道支座均為滑動約束。出氣煙道支座約束如圖5所示。
圖4 進氣煙道及除塵器支座約束
圖5 進出氣煙道支座約束
載荷：
（1）自重；
（2）經過多次計算后得出的進氣煙道口載荷限值（方向按照幾何模型坐標系）：載荷如下：FX=-15000N，FY=8000N，FZ=-15000N，MX=136125N.m，MY=117975N.m，MZ=90750N.m。載荷添加如圖6所示。
圖6 進氣煙道口載荷添加（集中力及彎矩）
（3）經過多次計算后得出的煙道口載荷限值（方向按照幾何模型坐標系）：載荷如下：FX=-33000N，FY=18000N，FZ=-33000N，MX=136125N.m，MY=117975N.m，MZ=90750N.m。載荷添加如圖7所示。
展開 【CAE案例】細長結構在軸向流體作用下的變形
01 應用背景
關于軸向流動下細長圓柱束的變形問題研究，主要考慮兩個問題：一是，在存在較小變形時，流動的作用是什么；二是，流動和變形之間的耦合關系是怎樣的。
通常而言，流動壓力載荷對流動的影響，主要取決于流體力和細長結構剛度力的競爭，最終可能導致變形加劇或回到初始狀態，如圖1所示。這種不穩定性，是在某些條件下，系統在擾動的影響下自發地離開其平衡狀態，包括靜態不穩定性和動態不穩定性兩種類型。
求解這類不穩定性問題的一般方法，通常采用瞬態方法，而這里將采用靜態穩定性的直接研究。采用簡化的不可壓縮、無湍流、無粘度的勢流模型來描述流動的不穩定性，并在一個簡單案例中通過實驗和數值結果進行驗證。實驗裝置的實物圖和實驗模型示意圖如圖2和圖3所示。
圖1 流體狀態的變化
圖2 實驗裝置實物圖
圖3 實驗模型的示意圖
02 解決方案
求解不穩定性問題主要分為兩步，第一步如圖4所示，循環迭代1到N階模態，按照各階模態陣型定義幾何模型，生成對應的網格，計算幾何模型周圍的勢流，進而獲得流體對板的壓力；第二步如圖5所示，基于固有模態投影壓力載荷，建立靜態平衡，尋找系統的特定值，從而確定不穩定性的閾值，即臨界失穩速度Ucrit。
圖4 不穩定性問題第一步求解流程
圖5不穩定性問題第二步求解流程
本研究中針對拉普拉斯類問題進行有效求解，基于Python內置命令實現自動計算與連續網格，采用固體力學仿真軟件求解細長結構在軸向流體作用下的變形問題。
展開 《大變形結構的耐撞性》
【版次印次】 1
【ISBN書號】 7810991841
【開 本】 16開
【裝 幀】 平裝
【頁 數】 215
內容:
本書除系統論述大變形結構耐撞性分析的理論基礎外,重點論述了作者在大變形結構耐撞性研究領域取得的幾項 ... 的設計條件; 用于分析大變形結構耐撞性的動態顯式有限元方法;普通半剛性護欄的耐撞性分析方法;基于正交試驗設計方法的普通半剛 ...
鋼結構焊接變形的火焰校正方法
目前，鋼結構已在廠房建筑中得到廣泛的應用。而鋼結構廠房的主要構件是焊接H型鋼柱、梁、撐。這些構件在制作過程中都存在焊接變形問題，如果焊接變形不予以矯正，則不僅影響結構整體安裝，還會降低工程的安全可靠性。
焊接鋼結構產生的變形超過技術設計允許變形范圍，應設法進行矯正，使其達到符合產品質量要求。實踐證明，多數變形的構件是可以矯正的。矯正的方法都是設法造成新的變形來達到抵消已經發生的變形。
在生產過程中普遍應用的矯正方法，主要有機械矯正、火焰矯正和綜合矯正。但火焰矯正是一門較難操作的工作，方法掌握、溫度控制不當還會造成構件新的更大變形。因此，火焰矯正要有豐富的實踐經驗。本文對鋼結構焊接變形的種類、矯正方法作了一個粗略的分析。
鋼結構焊接變形的種類與火焰矯正
（1）鋼結構的主要構件是焊接H型鋼柱、梁、撐。
焊接變形經常采用以下三種火焰矯正方法：
a、線狀加熱法；
b、點狀加熱法；
c、三角形加熱法。
下面介紹解決不同部位的施工方法：
以下為火焰矯正時的加熱溫度（材質為低碳鋼）
低溫矯正 500度～600度 冷卻方式：水
中溫矯正 600度～700度 冷卻方式：空氣和水
高溫矯正 700度～800度 冷卻方式：空氣
注意事項：火焰矯正時加熱溫度不宜過高，過高會引起金屬變脆、影響沖擊韌性。16Mn在高溫矯正時不可用水冷卻，包括厚度或淬硬傾向較大的鋼材。
（2）翼緣板的角變形
矯正H型鋼柱、梁、撐角變形。在翼緣板上面（對準焊縫外）縱向線狀加熱（加熱溫度控制在650度以下），注意加熱范圍不超過兩焊腳所控制的范圍，所以不用水冷卻。
展開 
在WELSIM中打開結構大變形開關
結構分析中，大變形（Finite Deformation）是當結構件變形達到某種程度時，必須要考慮的一個因素。在數學理論上，大變形由于二次應變項的引入，給控制方程增加了非線性因素。
對于塑性和超彈性材料，WELSIM是默認打開大變形開關的。對于線性材料，如果用戶需要激活大變形特征，就需要在用戶界面中設置相關屬性。下面我們來看一下如何實現的。
在一個新建的FEM項目中，新建一個材料，并命名為myMaterial。設置楊氏模量為4000，泊松比為0.3。
建立一個塊狀（Box）結構體，并設置長寬高為1x1x10。并將剛才建立的材料myMaterial賦予此結構體。
設置最大單元為0.2，并選用高階單元，劃分好的網格模型如下。總共有9957個節點，5609個Tet10單元。
在StudySettings節點中，會有一個Finite Deformation屬性，將默認的False設置為True，這樣就打開了大變形開關。并設置10個子步，用于遞進加載受力。
在工件一端施加固定約束。
在工件的另一端施加Y方向向下的力，大小為1。
點擊計算，并很快得到結果。添加位移和應力結果并讀取。由于設置了10個子步數，所以有10個結果節點。
Y方向位移結果云圖。
Von-Mises應力結果云圖。
展開 《結構完整性評估和大變形分析》
ISBN：7807340142
印次：1
紙張：膠版紙
字數：260000
版次：1
內容提要：
結構完整性評估和大變形分析一直是土木、機械和力學及其航空航天領域專家學者研究的重要課題。本書是作者通過多年研究工作在結構非破壞性評估和結構大變形計算分析方面 的簡略總結。書中首次把有限元線法引入斷裂力學，推導建立了斷裂有限元線法，用于結構的完整性分析和評估。全書分為四部分：第一部分（第一、二、三、四和五章）敘述了斷裂和有限元線法及其在機翼開裂分析中的應用以及與一階可靠性法相結合評估結構完整性方面的研究成果；第二部分（第六、七章）介紹了最新超聲波檢測結構疲勞裂縫技術以及定量非破壞性評估技術與概率可靠性方法相結合的應用情況；第三部分（第八、九、十、十一和十二章）詳細提供了兩種大變形理論在某發動機飛輪圓盤分析評估中的應用，給出了爆炸強度和開裂屈服的計算方法，并與其他軟件進行了分析對比；第四部分（第十三章）初步分析了材料不連續屈服特性對結構失穩和破壞的影響規律。
本書可供有關科研、設計和工程單位的科技工作者參考，也可作為高等院校土木、水利、力學及其機械類專業研究生的教學參考書。
展開 結構完整性評估和大變形分析
結構完整性評估和大變形分析
作者：胡少偉 著
出版社：黃河水利出版社
ISBN：7807340142
印次：1
紙張：膠版紙
出版日期：2006-1-1
字數：260000
版次：1
內容提要：
結構完整性評估和大變形分析一直是土木、機械和力學及其航空航天領域專家學者研究的重要課題。本書是作者通過多年研究工作在結構非破壞性評估和結構大變形計算分析方面 的簡略總結。書中首次把有限元線法引入斷裂力學，推導建立了斷裂有限元線法，用于結構的完整性分析和評估。全書分為四部分：第一部分（第一、二、三、四和五章）敘述了斷裂和有限元線法及其在機翼開裂分析中的應用以及與一階可靠性法相結合評估結構完整性方面的研究成果；第二部分（第六、七章）介紹了最新超聲波檢測結構疲勞裂縫技術以及定量非破壞性評估技術與概率可靠性方法相結合的應用情況；第三部分（第八、九、十、十一和十二章）詳細提供了兩種大變形理論在某發動機飛輪圓盤分析評估中的應用，給出了爆炸強度和開裂屈服的計算方法，并與其他軟件進行了分析對比；第四部分（第十三章）初步分析了材料不連續屈服特性對結構失穩和破壞的影響規律。
本書可供有關科研、設計和工程單位的科技工作者參考，也可作為高等院校土木、水利、力學及其機械類專業研究生的教學參考書。
展開 技術 | 鋼結構焊接變形與控制矯正（圖文詳解！）
鋼結構連接普遍采用焊接，且對于一些重要焊縫一般都采用全熔透焊接。金屬焊接時在局部加熱、熔化過程中，加熱區的金屬與周邊的母材溫度相差很大，產生焊接過程中的瞬時應力。
冷卻至原始溫度后，整個接頭區焊縫及近縫區的拉應力區與母材在壓應力區數值達到平衡，這就產生了結構本身的焊接殘余應力。
此時，在焊接應力的作用下焊接件結構發生多種形式的變形。殘余應力的存在與變形的產生是相互轉化的，認清變形規律，就不難從中找到防止減少和糾正變形的方法。
一、焊接變形的形式與原因：
鋼結構焊接后發生的變形大致可分為兩種情況：即整體結構的變形和結構局部的變形。整體結構的變形包括結構的縱向和橫向縮短和彎曲（即翹曲）。局部變形表現為凸彎、波浪形、角變形等多種。
1.變形常見基本形式
常見焊接變形基本形式有如下幾種：
（1）變窄（橫向收縮）的變形；
（2）板材坡口對接焊接后產生的角變形；
（3）焊后構件的角變形沿構件縱軸方向數值不同及構件翼緣與腹板的縱向收縮不一致形成的扭曲變形；
（4）薄板焊接后母材受壓應力區由于失穩而使板面產生翹曲形成的波浪變形；
由于焊縫的縱向和橫向收縮相對于構件的中和軸不對稱引起構件的整體彎曲，此種變形為彎曲變形。
這些變形都是基本的變形形式，各種復雜的結構變形都是這些基本變形的發展、轉化和綜合。
2.焊接變形的原因：
在焊接過程中對焊件進行了局部的、不均勻的加熱是產生焊接應力及變形的原因。焊接時焊縫和焊縫附近受熱區的金屬發生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區域內就發生壓縮應力和塑性收縮變形，產生了不同程度的橫向和縱向收縮。由于這兩個方向的收縮，造成了焊接結構的各種變形。
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