结构健康监测多尺度有限元模型修正方法

摘要

用于结构健康监测系统的传感器数量有限，不能监测结构所有关键部位的细节信息，仅仅基于健康监测系统采集到的信息对结构在建和运营期间进行监测是不全面的。因此，有必要对结构建立有限元模型来模拟结构真实行为，辅助结构健康监测系统对结构进行监测。多尺度有限元模型对整体结构采用宏观单元建模，对局部关键结构采用细观单元建模，使有限元模型同时获得结构整体信息和结构局部细节信息。本文以珠海歌剧院钢结构为应用背景，提出对关键节点细观尺度建模和对杆件宏观尺度建模相结合的多尺度有限元模型修正方法。
　　针对结构关键节点进行细观多尺度建模研究，选取珠海歌剧院关键节点，即焊接箱型节点进行多尺度建模研究。通过解决焊接箱型节点杆件相交处细观单元建模的难点问题，实现该节点的细观尺度建模。进而研究细观尺度节点模型与宏观尺度梁单元的连接方法，并选用珠海歌剧院小贝壳上多个节点进行多尺度建模，通过宏观尺度模型与多尺度模型的结构响应对比，验证节点细观尺度模型及其与宏观尺度连接方法的合理性。
　　提出多尺度有限元模型修正方法。采用参数型模型修正法，基于结构参数灵敏度分析，确定结构待修正参数。运用拉丁超立方试验设计，得到结构样本参数，建立基于结构不同参数变量和不同目标函数的径向基响应面，并验证径向基响应面模型精度。结合遗传算法 NSGA-II，对径向基函数方程进行多目标优化，确定结构最优参数，实现多尺度有限元模型修正。以小贝壳结构多尺度模型为例，通过对不同参数组合的多尺度有限元模型修正，验证方法的有效性。
　　针对珠海歌剧院大贝壳结构健康监测系统，选取布置应变传感器的18处焊接箱型钢节点，对其分别建立细观尺度模型，并运用所提的多尺度连接方法实现大贝壳钢结构的多尺度有限元模型的建立。进而运用所提的有限元模型修正方法对其进行修正，通过对结构静力位移响应，应变响应以及动力频率响应的对比和分析，验证本文所提方法可以有效用于结构健康监测的大型钢结构有限元模型的建立。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 本文的主要内容

第2章 多尺度有限元模型的建模方法

2.1 引言

2.2 焊接箱型节点的多尺度有限元建模

2.3 不同尺度单元的连接

2.4 珠海歌剧院小贝壳节点建模

2.5 本章小结

第3章 多尺度有限元模型修正方法

3.1 引言

3.2 多尺度有限元模型修正方法

3.3 珠海歌剧院小贝壳结构多尺度有限元模型修正

3.4 不同参数组合的多尺度模型修正

3.5 本章小结

第4章 珠海歌剧院大贝壳多尺度有限元模型

4.1 引言

4.2 珠海歌剧院大贝壳工程简介

4.3 多尺度有限元模型的建立

4.4 多尺度有限元模型修正

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢