有限元模型修正

摘要： 以一座新建的整体式桥台桥梁(简称整体桥)为工程背景,建立服务于健康监测的精细化基准动力有限元模型.将设计阶段基于梁格法建立的全桥三维模型与采用梁-壳单元的精细化模型作为初始有限元模型,把环境激励下获取的实测模态信息(自振频率与振型)作为参照,基于参数灵敏度分析修正了上述两种结构模型.结果表明:尽管两种模型修正后都可以获得与实测模态尤其是频率值较好的吻合度,但修正后的梁格模型的模型参数严重偏离其真实的物理意义,难以作为长期监测的基准模型;而修正后的精细化梁-壳单元模型的模型参数物理意义明确,可以作为计入环境因素影响(如温度、湿度等)的结构长期监测的基准模型.该研究还基于动力试验和模型分析结果讨论了整体桥特有的结构-土相互作用的问题.

摘要： 索膜结构的内力分布与空间位形相互关联,受施工阶段的几何找形与服役阶段的结构损伤、性能退化等影响,在役索膜结构的实际位形与设计状态有所差异,结构的服役性态未知,工程上的安全评估难以操作且并无可靠方法借鉴。该文提出了一种基于空间位形指标的在役索膜结构有限元模型修正方法,以模型中拉索的初始预应力作为优化参数、以结构关键节点坐标的匹配作为模型修正目标函数,通过构建基于结构特征点空间位置信息的目标函数来反映有限元模型与实际结构的吻合度,设计ABAQUS与MATLAB联合仿真优化程序,利用全局搜索和局部优化实现模型修正。现场试验采用三维激光扫描获取在役索膜结构空间位形信息,基于实测数据对有限元模型进行修正。修正后模型与实际结构受力状况更为接近,与索力的实测结果对比表明,有限元模型的索力由修正前最大偏差10%~30%降低至10%以下,验证了方法的有效性与准确度。利用修正后的有限元模型实现了在役索膜结构的安全评估。

摘要： 短梁剪切(short beam shear,SBS)实验结合数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)可实现快速识别单向纤维增强树脂基复合材料的多力学性能参数,而且能够获得复合材料单向应力状态下完整的层间剪切应力-应变行为和层间剪切强度,这对建立厚截面复合材料三维应力状态的强度准则至关重要。为研究实验设计对材料层间剪切力学参数识别精度的影响,本研究首次发展了由四台CCD相机组成的两套立体数字图像相关系统,实测SBS实验加载过程中试样前后表面标距区内应变分布情况。结果表明:由于实验夹具工装配合中存在螺纹间隙,工装刚度不足,试样前后表面剪切应变分布不对称,相对偏差可达44%。一方面提出针对试样前后表面剪切应变非对称性分布、材料剪切力学性能参数识别的新方法,通过采用DIC技术和有限元模型修正技术(finite element model updating,FEMU),将试样前、后表面标距区的实测平均剪切应变和有限元模型相应位置处计算应变数据的方差作为目标函数进行本构参数和偏轴角度的识别,可获得材料完整的非线性剪切本构参数,且识别过程对初始参数不敏感;另一方面通过改进实验夹具提高工装刚度,消除非对称性剪切应变分布现象,准确地识别得到了单向层合板完整的层间剪切应力-应变本构关系参数。

摘要： 土木结构的损伤识别技术对提升结构可靠性与安全性具有重要意义,也是土木结构健康监测研究中的热点问题。现有的损伤识别方法往往需要识别模态参数,或者需要准确获取结构外部载荷信息,极大限制了相关方法在实际工程中的应用。为克服现有方法的局限性,该文将结构动态响应重构方法引入到损伤识别中,提出了基于应变模态响应重构的损伤识别方法。构建结构健康状态的有限元模型,以损伤结构测量的信号输入,通过基于经验模态分解的应变重构方法,可以获取使用无损伤模型的结构全局模态响应。以传感器采集的模态响应和重构模态响应的差异作为有限元模型修正的依据,通过应变模态比值构建的传递率的灵敏度矩阵进行迭代运算,求得损伤位置及损伤程度。该方法无需获取结构的外部激励信息,通过高效的时域应变重构,能够在少量测量信号下实现对结构损伤的精确识别。为验证该方法的准确性和高效性,开展了连续梁单一损伤和多损伤识别研究,探讨了测量噪声和模态阶次选取对识别结果的影响,结果表明,该方法能够准确、高效识别不同程度的损伤,对测量噪声具有较强的鲁棒性。

摘要： 在受地震、风等作用激励时,钢-混凝土组合梁桥的安全性与其动力特性密切相关。受限于施工图中一些细节的精确程度,要精确地建立钢-混凝土组合梁桥有限元模型往往存在困难,研究表明,采用近似方法建立的有限元模型模拟结果与桥梁的真实响应之间存在一定误差。为了解钢-混凝土组合梁桥的动力特性,对一座已建成的钢-混凝土组合梁桥开展了环境振动测试,获得了桥梁的各阶模态。建立了精细化的有限元模型,分别采用直接参数修正方法以及基于敏感性的迭代修正方法,对初始有限元模型进行了修正。结果表明:采用迭代法可以提升其有限元模型的精度,在参数选择合适的情况下,直接法和迭代法都可以获得令人满意的结果,但相比于直接法,迭代法通常更为精确。

摘要： 壳体组合结构广泛应用于船舶、土木和航空航天等工程领域。为获得精确的对接圆柱壳结构动力学模型,采用基于数学模型的响应面法对有限元模型多个参数进行优化,实现有限元模型修正。通过模态试验获得对接圆柱壳结构的试验模态参数,采用模态置信度检验模态试验结果。利用ANSYS有限元软件对结构进行有限元模态分析,提取整体模态。通过中心复合设计方法获取样本点构造多项式响应面模型,采用决定系数和均方根误差检验响应面的拟合精度。响应面模型计算结果与试验结果的误差构造目标函数,多目标遗传算法用于优化响应面参数,最终将修正后的参数代入有限元模型得到修正模型。对比修正前后的模态频率,结果表明修正后得到的有限元模态频率与实测模态频率间相对误差明显减小,进而验证了基于响应面方法在对接圆柱壳有限元模型修正中的有效性。

摘要： 针对重载铁路桥梁有限元模型修正问题,基于充分融合观测信息和先验信息的贝叶斯方法,构造包含动态权重系数的目标函数,结合能替代有限元模型进行计算的响应面方法,提出1种基于贝叶斯法和响应面法的桥梁有限元模型修正方法。采用该方法对重载铁路黄河特大桥进行有限元模型修正,通过与静动载试验数据对比分析模型修正的准确性,并通过与桥梁健康监测系统实测数据对比评估模型修正的有效性。结果表明:修正后模型计算结果的准确性明显提高,主梁控制截面竖向位移计算值与试验值的最大相对误差从18.12%降至1%以下,桥梁前3阶频率计算值与试验值的最大相对误差从10.29%降至8.82%;重载列车过桥时,修正后的桥梁跨中竖向位移时程计算结果与桥梁健康监测系统的实测结果间的最大相对误差从43%降至13%。可见,修正后的模型能用于评价桥梁结构实际的受力性能,且亦可应用于重载铁路桥梁健康监测。

摘要： 为解决钢-混叠合梁有限元模型参数误差导致计算结果与实际相差较大的问题,基于MPGA算法,使用ANSYS建立某钢-混叠合梁有限元模型并对5个敏感性较高的参数进行了修正.结果表明:修正后参数值均呈现增大趋势,其中钢箱梁混凝土弹性模量和桥面混凝土弹性模量增幅较大,分别达到21.23％和9.05％,模型前10阶振动频率与实测值更为接近,对于5～10阶高阶振动频率,理论计算值与实测值误差均在5％以内,MAC值更趋于1,修正后模型能较为全面地反映实际结构的刚度分布,可作为基准有限元模型为日后健康监测提供指导.

摘要： 为提高基本鲸鱼优化算法的搜索速度和寻优性能,提出了一种基于混沌映射的鲸鱼优化算法.该算法分别采用5种混沌映射扰动的惯性权重以协调算法的全局和局部搜索能力,通过测试函数对比得出,5种混沌映射均能提高算法的寻优性能,尤其是Gauss映射;最后,将加入Gauss映射的鲸鱼优化算法用于有限元模型修正问题中.仿真结果表明,改进后的鲸鱼算法能进一步提高模型修正精度.

摘要： 为了缩小波形钢腹钢箱-混凝土组合箱梁桥有限元值与实测值之间的偏差,提出了采用响应面法和Fmincon算法相结合的桥梁有限元模型修正方法.以甘肃景中机场连接线的一座波形钢腹钢箱-混凝土组合箱梁桥为研究对象,首先对其进行静、动载试验,获得其弯曲振动频率、挠度及应变的实测值;其次分别采用实体和板壳模式的有限元建模获得该桥相应的弯曲振动频率、挠度及应变的计算值,通过与实测值对比分析后,选取较为精确的实体模式有限元模型作为修正的初始有限元模型;随后在合理选择设计参数的基础上,通过中心复合试验设计得到相应的结构响应,采用最小二乘法拟合得到结构响应和设计参数之间的二次多项式回归方程,并构造目标响应与相应响应实测值差值的目标函数;最后运用Fmincon算法对目标函数进行迭代计算,获得参数修正值及该桥的基准有限元模型.研究结果表明:采用响应面法和Fmincon算法相结合的方法对波形钢腹钢箱-混凝土组合箱梁桥的有限元模型进行修正切实可行,具有修正过程简单、计算收敛速度快等特点,计算时间在0.25～0.75 s内,一阶弯曲振动频率相对误差由4.85％依据不同响应组合修正到1.62％～2.91％不等;通过对遗传算法和Fmincon算法的比较发现,Fmincon算法显著提高了模型修正效率,可为实际工程中该类桥梁的有限元建模分析及力学性能分析提供参考.

摘要： 整体式桥台桥梁取消伸缩缝及伸缩装置,将上下部结构连成整体,其动力特性与有伸缩缝桥梁存在明显差异,尤其是结构-土相互作用难以准确量化.本文以一座新建的三跨预应力混凝土箱梁整体桥为研究对象开展基于环境振动下的结构模态试验,从实测到的时程信号中识别出模态信息作为桥梁有限元模型修正的依据.通过基于灵敏度分析的方法,采用分阶段的修正的办法修正有限元模型.修正结果表明,采用NCHRP曲线模拟的台后土弹簧刚度与"m"法模拟的桩周土弹簧刚度均较测试结果偏小,参数修正结果符合其物理意义.

摘要： 快速可靠的明确墩台基础技术状态对铁路桥梁的运营管理有极大意义,能科学指导运营中墩台结构的状态评定以及加固维修.本文介绍了一种以动力试验和有限元模型修正理论相结合的桥墩结构技术状态评估方法,对桥墩结构的技术状态进行评估.通过实验室桥墩模型算例,利用有限元模型修正法对破损前后模型桥墩的技术状态进行评估,结果验证了该方法的可靠性,对解决实际工程结构的状态评估问题具有一定的指导意义.

摘要： 以某自锚式斜拉—悬吊组合体系模型试验桥的施工过程模拟试验为背景,利用施工过程有限元模型对该桥部分设计参数进行敏感性分析,在此基础上以静力测试数据为依据采用神经网络法对该模型试验桥进行了有限元模型修正.结果表明该方法是斜拉—悬吊体系桥梁这类非线性结构的有限元模型修正的可行方法.对于斜拉一悬吊组合体系桥梁，施工过程中斜拉索的初始张拉力会对桥梁后期的线形和内力产生一定的影响，所以在进行敏感性分析时，斜拉索的初始张拉力也应作为一种设计参数予以考虑。可以选择斜拉索的无应力长度作为设计参数。对比BP神经网络和RBF神经网络的结果，表明RBF网络训练迭代次数少，网络误差更小，输出精度更高，其对非训练样本的识别和判决结果的置信度更高。用神经网络法进行有限元模型修正，能考虑结构的非线性，因此该方法是悬索桥这类非线性结构的有限元模型修正的可行方法。

摘要： 响应面方法是试验设计与数理统计相结合的方法,基于响应面的有限元模型修正,是以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,然后在其基础上进行迭代,得到简化的结构模型(Meta-model),然后在其基础上进行迭代修正,大大提高计算效率.主要过程包括方差分析的参数选取、回归分析的响应面的拟合以及利用响应面进行有限元模型修正.本文利用响应面方法实现了对一简支梁计算模型的修正,并与基于灵敏度修正方法进行结果比较,证实了响应面方法在土木工程简单结构有限元模型修正的可行性以及优越性.

摘要： 结构动态有限元模型修正通常归结为反问题求解.采用RBF神经网络进行有限元模型的修正,将特征量视为自变量,设计参数视为因变量,以RBF神经网络逼近两者之间的非线性映射关系,然后利用神经网络的泛化特性直接求解设计参数的目标值,从而模型修正归结为正问题进行研究.该方法避开了现有的基于反问题的有限元模型修正所面临的复杂的非线性优化计算.研究了基于RBF视网络的模型修正的关键技术问题,包括网络的训练算法、样本点选择策略等.以欧洲航空科技组织的基准模型——GARTEUR飞机模型为例,应用该方法对其有限元模型进行修正.基于仿真数据的修正,模态频率误差在1﹪以内,参数误差在2﹪以内.基于测量数据的修正,模态频率误差在3﹪以内.

摘要： 对结构进行合理有限元分析的基础是建立一个符合实际的基准有限元模型,大多数基于图纸所建立的初始有限元模型由于在建造的过程中对结构的简化及假设,导致该有限元模型并不符合实际要求,故需对初始有限元模型进行修正.本文介绍了Kriging代理模型及模型参数求解的方法,给出了基于Kriging模型的有限元模型修正的具体步骤;最后利用一个桥梁数值算例验证了Kriging模型在样本点较少的情况下仍可有效地完成有限元模型修正,并将基于Kriging模型所修正的有限元模型与基于多项式函数响应面法所修正的有限元模型进行了比较.

摘要： 本文基于动态缩聚法和L1正则化方法提出了一种精确高效的有限元模型修正方法.该方法通过改进的动态缩聚法将整体结构运动方程转化为尺寸非常小的缩聚系统运动方程.结构响应及响应灵敏度基于缩聚系统计算能提高其计算效率,将其应用于基于灵敏度的有限元模型修正方法能大幅改善模型修正的效率.当结构监测数据少于其设计参数时,有限元模型修正问题可能成为病态问题,无法得到精确结果.由于有限元模型仅在局部位置存在建模误差即设计参数具备稀疏性,本文采用L1正则化方法求解模型修正病态问题.其通过在目标函数中附加L1正则化项限制设计参数的稀疏性.最后,本文提出的有限元模型修正方法的精度和效率通过一简支梁模型得到了验证.

摘要： 基于有限元模型修正的结构损伤识别方法计算过程直观、物理意义明确,能同步识别结构损伤位置和损伤程度,是结构损伤评估最直接的依据.本文首先介绍基于有限元模型修正的损伤识别方法基本原理与过程,总结近三十年来有限元模型修正技术的发展.土木工程结构模型复杂性(包含大量单元、节点、待修正参数等)导致有限元模型修正过程效率低,详细介绍了基于子结构有限元模型修正的土木工程损伤识别方法在提高计算效率方面的优势.最后,将两种有限元模型修正方法应用于一栋超高层建筑数值模型的损伤识别,说明两类方法在土木结构损伤识别中的特点.土木工程尺度大而结构损伤通常发生在局部区域,子结构方法将整体结构的分析转换为对若干独立子结构的分析,通过少数局部子结构的模型修正实现损伤识别,避免重复分析大尺寸整体结构,为大型结构基于有限元模型修正的损伤识别开辟高精度和高效率的途径.

摘要： 本发明公开了一种基于非迭代有限元模型修正的桥梁损伤识别方法，是利用桥梁在脉冲激励或环境激励作用下的加速度响应并通过随机子空间算法从加速度响应中识别桥梁的固有频率、阻尼比及振型，利用识别出的模态参数按照首选的方向和顺序重构状态空间矩阵的特征值和特征向量，以此作为非迭代有限元模型修正过程中模态参数赋值的目标，从而唯一地修正初始桥梁有限元模型的状态空间矩阵并通过状态空间矩阵计算出更新后的桥梁刚度和阻尼矩阵，再利用更新后的桥梁刚度矩阵中单元的变化识别桥梁损伤位置及其程度。本发明能够有效的解决现有大多数基于迭代有限元模型修正识别桥梁损伤计算工作量大，从而能提高识别损伤的效率，并降低计算成本。

摘要： 本发明提出一种基于摄动法的复杂模型不确定性有限元模型修正方法，包括：推导复杂模型待修正参数的均值和协方差矩阵的迭代形式；确定复杂模型修正目标均值和协方差矩阵；确定复杂模型待修正参数初始估计值；通过有限元分析计算复杂模型待修正参数的灵敏度矩阵及模态频率；读取复杂模型有限元计算结果，计算中间变量转换矩阵及协方差矩阵；分别对复杂模型待修正参数的均值和方差进行修正，得到更新后的参数；循环迭代进行参数修正。本发明基于商用数学软件MATLAB和有限元仿真软件NASTRAN，建立了文件读写和数据传输的通道；适用于解决复杂模型的系统参数与试验数据均存在不确定性的模型修正问题，修正后参数的均值精度较高。

摘要： 本发明涉及一种软基水闸有限元模型修正方法，包括以下步骤：对目标软基水闸进行振动测试，得到水闸振动加速度或动位移响应信号；基于IVMD‑SSI方法识别软基水闸振动模态参数；建立软基水闸的有限元模型，确定软基水闸结构及地基的待修正参数分区；根据水闸振动模态参数和待修正参数，构建GA‑SVR代理模型以替代软基水闸的有限元模型；构建软基水闸有限元模型修正的目标函数，并基于BAS‑PSO优化算法对目标函数进行寻优求解，获得软基水闸待修正参数的最优组合。本发明软基水闸有限元模型修正方法克服了静力信息难以在线监测的局限性，解决了群体算法存在的计算效率低、个体算法难以实现全局收敛的问题，修正效果好，为软基水闸有限元模型修正提供了一种全新的思路。

摘要： 本发明公开了一种发动机悬置支架有限元模型修正方法，步骤如下：确定有限元模型修正参数，并确定模态试验方案；进行模态试验，获取试验数据；进行有限元分析，获取计算结果；确定目标修正模态；计算目标修正模态的计算固有频率和试验固有频率之间的相对误差；将修正参数作为优化数学模型中的设计变量；将目标修正模态的计算与试验固有频率误差和最小设为目标函数，将各阶模态的允许误差值设为约束条件；建立相应的优化数学模型，选用具有全局特性的智能优化算法作为迭代算法，进行迭代计算；判断迭代计算是否收敛，若结果收敛，得到修正后参数。基于本发明的有限元模型修正方法，可以有效地提高悬置支架有限元模型的预测精度。

摘要： 本发明公开了一种基于贝叶斯有限元模型修正的应变场重构方法，包括：对横梁结构进行模态试验，获得模态数据；利用贝叶斯公式，构建横梁结构有限元模型的后验概率密度函数；选取有限元模型待修正参数，计算得到修正后的有限元模型；对横梁结构进行光纤布拉格光栅传感器布置，得到应变响应列向量，同时利用修正后有限元模型建立有限点应变矩阵和全场应变响应矩阵；将应变响应列向量与模拟得到的有限点应变矩阵求解模态坐标；将模态坐标与全场应变响应矩阵相乘，得到静载荷工况下的全场应变值，实现应变场重构。本发明结合不确定性有限元模型修正和基于模态叠加法的应变场重构方法，将对于横梁结构的应变监测结果更加精确。

摘要： 本发明公开了一种基于非迭代有限元模型修正的桥梁损伤识别方法，是利用桥梁在脉冲激励或环境激励作用下的加速度响应并通过随机子空间算法从加速度响应中识别桥梁的固有频率、阻尼比及振型，利用识别出的模态参数按照首选的方向和顺序重构状态空间矩阵的特征值和特征向量，以此作为非迭代有限元模型修正过程中模态参数赋值的目标，从而唯一地修正初始桥梁有限元模型的状态空间矩阵并通过状态空间矩阵计算出更新后的桥梁刚度和阻尼矩阵，再利用更新后的桥梁刚度矩阵中单元的变化识别桥梁损伤位置及其程度。本发明能够有效的解决现有大多数基于迭代有限元模型修正识别桥梁损伤计算工作量大，从而能提高识别损伤的效率，并降低计算成本。

摘要： 本发明公开了一种考虑制造误差的有限元模型修正方法，属于有限元仿真对结构表面精度变化的预测技术领域，本发明设计MATLAB的GUI模块创建交互式界面，嵌入有限元初始制造误差添加程序，以数字摄影测量获取的表面标识坐标及有限元模型工作面离散单元节点坐标为系统的输入量，调用有限元初始制造误差添加系统，分别获得采用直接数值拟合及变形协调拟合缺陷形式的有限元模型的输出量。作为引入初始制造误差对有限元预测结构表面精度提升的研究一部分，本发明能够程序化生成引入不同制造误差形式的有限元模型，避免了人工引入缺陷于有限元模型的复杂操作，提升了后续研究的效率。

摘要： 本发明公开了一种基于自适应元模型的复杂结构有限元参数区间的修正方法。工程设计中主要采用有限元技术进行数值仿真，有限元模型修正是保障计算结果准确度的重要技术；不确定性使实测响应表现出分散性，确定性有限元模型修正无法实现对响应数值结果不确定性特征的预测；本发明考虑区间不确定性，建立具有满意精度的有限元模型的代理元模型，基于元模型并构造自适应扩张系数对待修正参数区间进行一级粗修；进一步基于粗修模型，建立模型参数区间修正的优化模型，采用智能遗传算法对待修正参数的区间上界和下界进行二级精修。本发明能够修正和量化有限元模型中受不确定性影响的参数区间，为实际工程中不确定性情形的有限元模型修正提供了新思路。

摘要： 本发明公开了一种飞机液压管路系统有限元模型修正方法，步骤如下：进行管道模型的模态试验和有限元建模，分别获得模态参数的试验值和有限元分析值并进行自由度匹配与相关性分析；基于灵敏度分析并结合工程经验筛选出待修正参数；采用拉丁超立方抽样获得样本点，拟合出Kriging代理模型并进行精度检验；以修正后的管路系统有限元模型响应与实际模型响应尽可能接近为总体目标，构建目标函数；选用多目标遗传算法作为迭代算法进行优化求解，迭代计算收敛后得出最终的修正参数和有限元模型。本发明可以有效提升飞机液压管路系统模型精度，修正后模型静动力响应与实际结构吻合较好，具有较高的修正效率和修正精度，可为此类管系结构模型修正提供参考。

摘要： 本发明公开了一种采用改进差分进化马尔科夫链的有限元模型修正方法，包括如下步骤：步骤一：构建有限元模型，设定有限元模型的基本参数；步骤二：引入随机比例因子和随机向量；步骤三：利用定向差分方式选取候选样本；步骤四：计算后验样本接收概率，判断样本带宽是否小于设定阈值；若是，执行步骤五；若否，则执行步骤三；步骤五：则利用随机差分方式从候选样本中随机抽取样本；步骤六：计算后验样本接收概率，判断是否满足迭代终止条件；若否，则执行步骤五；若是，则修正有限元模型的特征值。本发明公开了一种采用改进差分进化马尔科夫链的有限元模型修正方法能够显著缩短燃烧期内的迭代步数，提高收敛速度。