水电站弧形闸门动力特性测量方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及水利水电工程，尤其涉及一种水电站弧形闸门动力特性测量方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、高坝大库水电站表孔、中孔弧形闸门是挡水、泄洪的关键建筑物，其长期在高速水流、脉动压力等复杂动荷载作用下运行，容易诱发振动，严重时会导致结构疲劳损伤、连接件松动甚至失事，如遇地震，将严重威胁大坝和下游安全。因此，开展高地震烈度区水电站弧形闸门的抗震安全研究至关重要。

2、弧形闸门的抗震性能研究涉及库水条件、边界条件、闸门的自振特性，以及大坝与闸墩的结构自振特性等多方面因素，且库水与闸门之间的流固耦合作用不可忽视，使得闸门抗震问题极为复杂。目前，现行规范中缺乏对大型弧形闸门抗震设计和抗震措施的具体规定。因此，亟需深入研究大型弧形工作闸门的抗震性能，确保闸门遭遇强震时保持功能正常，并为水电行业抗震设计相关规范的修编工作提供技术支撑。

3、弧形闸门结构的动态特性，包括自振频率和振型，是研究闸门抗震性能的重要基础参数，也是闸门结构健康状态评估的重要指标。因此，准确掌握弧形闸门的动力特性（如固有频率、振型、阻尼比等）至关重要。

4、目前，对弧形闸门动力特性的获取主要依赖以下两种方法：

5、纯数值模拟方法：通过有限元软件建立闸门的参数化模型，进行模态分析或瞬态动力学分析。这种方法的缺点在于：模型边界条件（如支铰约束、橡胶止水摩阻力、启闭力等）和结构参数（如材料属性、损伤状态）与实际结构存在差异，导致计算结果与实际动力特性偏差较大，可信度不高。

6、纯原型测试方法：通过布置传感器（如加速度计、动应变片）在现场进行测试，利用环境激励或人工激励采集振动信号，再通过信号处理技术（如频谱分析、随机子空间识别）识别动力特性。这种方法的缺点在于：1）测点有限：难以在闸门所有关键部位布置传感器，可能遗漏局部振型或关键响应点。2）结果离散：测试结果仅代表测试时刻的工况，无法预测不同水位、开度下的动力特性变化。3）难以分离干扰：现场背景噪声和多种激励源耦合，给精确识别带来困难。

7、综上所述，数值模拟过于理想化，原型测试又存在时空局限性，并且二者相互独立，无法形成一个能够自我修正、持续优化的闭环系统，难以满足对弧形闸门动力特性（如固有频率、振型、阻尼比等）进行精准、全面、可预测性评估的工程需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种水电站弧形闸门动力特性测量方法、系统、设备及介质，能够显著提升高坝大库水电站大型弧形闸门动力特性测量精度与可靠性，还能对弧形闸门的健康状态进行动态评估。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种水电站弧形闸门动力特性测量方法，包括：

4、构建水电站弧形闸门的有限元数值模型，基于有限元数值模型进行模态分析，识别出模态振型关键点位并作为测点位置；

5、在所述测点位置处安装无线传感节点，并在闸门设定工况下同步采集闸门的振动响应信号；

6、对采集的振动响应信号进行预处理后，采用模态分析方法识别得到闸门的实测动力特性参数；

7、以所述有限元数值模型计算的动力特性参数与所述实测动力特性参数的误差最小化为目标，选取对动力特性敏感的待修正参数，采用梯度引导自适应协同优化方法求解，得到修正后的有限元数值模型；

8、利用所述修正后的有限元数值模型执行闸门的动力特性分析，得到最终的动力特性测量结果。

9、进一步地，所述构建水电站弧形闸门的有限元数值模型，基于有限元数值模型进行模态分析，识别出模态振型关键点位并作为测点位置，包括：

10、依据水电站弧形闸门的设计图纸构建有限元数值模型，所述有限元数值模型包括大坝闸墩、库水流体、闸门面板、支撑构件、铰接构件和止水构件；

11、对构建的有限元数值模型开展初始模态分析运算，获取各阶模态对应的振型形态；按照振型的位移变化程度与曲率变化程度筛选出结构关键响应点位，将所述关键响应点位确定为现场测试的测点位置。

12、进一步地，在所述测点位置处安装无线传感节点，并在闸门设定工况下同步采集闸门的振动响应信号，包括：

13、在确定的各测点位置处装配无线传感节点，所述无线传感节点集成有加速度传感单元与应变传感单元；

14、在闸门处于正常运行的环境激励状态或预设的不同开度、不同上游水位工况下，启动各无线传感节点进行同步数据采集；采集并记录闸门结构的多通道振动加速度信号与动应变信号，作为原始振动响应信号。

15、进一步地，所述对采集的振动响应信号进行预处理后，采用模态分析方法识别得到闸门的实测动力特性参数，包括：

16、对采集获取的原始振动响应信号执行噪声去除与频段滤波操作，剔除信号中的干扰分量与无效数据；

17、采用随机子空间识别方法对预处理后的振动响应信号进行模态参数提取运算，从运算结果中分离出闸门对应测试工况下的各阶固有频率、振型向量与阻尼比，作为实测动力特性参数。

18、进一步地，以所述有限元数值模型计算的动力特性参数与所述实测动力特性参数的误差最小化为目标，选取对动力特性敏感的待修正参数，包括：

19、构建以有限元数值模型计算得到的动力特性参数与实测动力特性参数之间的误差最小化为导向的目标函数，所述目标函数融合频率误差项与振型一致性项并分别配置权重系数；

20、选取对闸门动力特性影响显著且数值难以精准确定的结构参数作为待修正参数，通过模态置信准则衡量有限元数值模型计算振型与实测振型之间的一致性程度，并将纳入目标函数的振型误差计算环节。

21、进一步地，所述采用梯度引导自适应协同优化方法求解，得到修正后的有限元数值模型，包括：

22、基于梯度信息引导个体搜索方向，结合位置更新逻辑完成种群个体的位置迭代；融合惯性权重自适应调整机制、认知学习机制与社会学习机制，对种群个体的速度更新规则进行自适应调整；根据迭代进度与个体适应度对梯度引导系数进行自适应调节，同时引入种群协同更新策略提升种群多样性；

23、对超出搜索空间的个体位置执行边界约束处理，经迭代寻优后得到最优参数组合；将最优参数代入初始的有限元数值模型，得到与实测数据吻合的修正后的有限元数值模型。

24、进一步地，利用所述修正后的有限元数值模型执行闸门的动力特性分析，得到最终的动力特性测量结果，包括：

25、通过修正后的有限元数值模型模拟预设极端工况下的闸门动力响应与应力分布，完成对应工况下的结构安全评估；

26、通过修正后的有限元数值模型展示任意位置、任意阶次的模态振型，实现闸门动力特性的可视化呈现；

27、将后续现场测试数据与修正后的有限元数值模型预测结果进行比对，识别结构刚度变化与局部损伤情况并发出预警。

28、一种水电站弧形闸门动力特性测量系统，包括：

29、初始数值模型构建与测点优化布置模块，被配置为构建水电站弧形闸门的有限元数值模型，基于有限元数值模型进行模态分析，识别出模态振型关键点位并作为测点位置；

30、现场原型测试与数据采集模块，被配置为在所述测点位置处安装无线传感节点，并在闸门设定工况下同步采集闸门的振动响应信号；

31、基于测试数据的动力特性初步识别模块，被配置为对采集的振动响应信号进行预处理后，采用模态分析方法识别得到闸门的实测动力特性参数；

32、基于互馈机制的模型动态修正模块，被配置为以所述有限元数值模型计算的动力特性参数与所述实测动力特性参数的误差最小化为目标，选取对动力特性敏感的待修正参数，采用梯度引导自适应协同优化方法求解，得到修正后的有限元数值模型；

33、基于修正数值模型的动力特性分析模块，被配置为利用所述修正后的有限元数值模型执行闸门的动力特性分析，得到最终的动力特性测量结果。

34、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述水电站弧形闸门动力特性测量方法。

35、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述水电站弧形闸门动力特性测量方法。

36、本发明的有益效果在于：

37、1、本发明通过有限元数值模型构建、测点优化布置、现场振动采集、实测模态识别、模型动态修正及动力特性分析，建立了原型测试与数值仿真互馈联动的测量体系。可解决传统动力特性测量中测点布设依赖经验、数值模型与实际结构偏差难以修正的问题，以模型修正为纽带衔接实测数据与仿真分析，使测量结果同时兼具现场实测的真实性与数值分析的全局性，能够更准确地反映弧形闸门的实际动力特性。

38、2、本发明基于精细化有限元模型的振型特征筛选测点，能够科学定位结构关键响应位置，减少测点布设的盲目性，保障振动信号采集的有效性；采用集成化无线传感节点在多工况下同步采集振动响应，可覆盖闸门不同运行状态，获取多维度的结构振动数据；配合信号预处理与模态识别方法，能够稳定提取闸门的固有频率、振型及阻尼比等动力参数，为后续模型修正提供可靠的数据支撑，整体提升了现场测试的实施效率与数据质量。

39、3、本发明采用融合频率误差与振型一致性的目标函数开展模型修正，能够从整体频率与空间振型分布两个维度约束修正方向，避免单一指标修正带来的结果偏差；结合梯度引导自适应协同优化方法对边界刚度、材料参数等不确定量进行反演求解，可提升参数寻优的收敛效率与求解精度，使修正后的有限元数值模型与实测动力特性高度吻合，有效降低初始建模的假设性误差，形成可随结构状态动态更新的数值模型。

40、4、本发明依托修正后的数值模型，可突破现场测点数量的局限，实现全结构任意位置的振型可视化展示，还能够模拟极端工况下的闸门动力响应与应力分布，补充现场测试无法覆盖的运行场景，拓展了动力特性测量的应用范围；同时通过定期实测数据与模型预测结果的比对，可及时识别结构刚度退化与局部损伤风险，为闸门的长期安全运维提供预警支撑，兼具动力特性测量与结构安全评估的双重作用。