基于两阶段响应面方法的结合梁斜拉桥多尺度有限元模型修正

以灌河大桥为工程背景,建立了结构精细有限元模型和多尺度有限元模型,并进行全桥环境振动试验,以获取结构的实测动力特性.基于两阶段响应面方法,分别对多尺度模型与精确有限元模型之间的误差和初步修正后多尺度模型与实际结构之间的误差进行修正,并将修正后结果与实测值进行比较.结果表明:经过两阶段响应面模型修正后的计算结果与实测结果吻合较好,最大频率相对误差不超过8%,模态保证准则MAC值基本在90%以上,说明两阶段响应面方法能够较好地进行多尺度模型修正,保证修正后的模型参数仍然具有其物理意义;修正后的有限元模型可以进一步应用于多尺度损伤识别及损伤预后,服务于桥梁健康监测及安全评估.

结构行为一致多尺度有限元模型修正及验证

研究面向结构健康监测和损伤评估的含局部细节的结构多尺度有限元模型的修正和验证方法.以实验室的大跨桥梁结构钢箱梁纵向加劲桁架缩尺试样为研究平台,具体讨论了多尺度模型修正和验证的实施过程.首先分析了影响此结构多尺度模型精度的一些因素,如边界约束刚度、焊趾及其附近的几何及材料参数等,然后采用基于灵敏度的方法对多尺度模型进行修正,并通过不同于修正过程的加载工况和不同位置处的实测数据从动力特性和静力响应等多方面对所建的结构多尺度有限元模型进行了验证.结果表明:基于子结构方法建立的结构行为一致多尺度模型是有效的.

基于等效模型的砖石古塔有限元模型修正方法

针对砖石古塔实体有限元模型节点众多导致修正效率低下问题,提出了一种将实体模型和杆系模型相结合的有限元模型快速修正方法。基于古塔结构的测试输出信号,使用随机子空间法识别了塔的自振频率。使用整体连续式方法建立了ABAQUS有限元模型,基于实测结果,使用萤火虫算法修正了塔的弹性模量、密度。修正后的有限元模型的计算结果与实测结果对比,能够较好吻合,说明修正后的模型可靠,可以作为后续抗震性能分析的基础。

多链MCMC有限元模型修正收敛判定方法研究

针对多链MCMC算法主要依靠设置较多迭代步以生成足量后验样本的问题,提出了算法收敛及所需后验样本数量的自动判定方法.在MCMC算法迭代初期引入最优竞争策略,通过定向差分代替原有随机差分,从而使多链样本快速向目标方向移动以提升计算效率;将当前迭代步多链带宽与预设精度指标相比较,自动判定由定向差分向随机差分的转换时机;基于抽样分布定理,采用一段区间内的样本构造t分布判定指标,对多链MCMC算法是否收敛进行自动判断,并在样本量满足统计要求后自动终止算法,以大幅减少算法平稳期的计算工作量.数值算例及实桥修正结果表明:在相同的计算精度下,所提判定方法可使多链MCMC算法燃烧期计算效率提高30%,考虑预设步长的情况下整个迭代过程可提速约50%,为基于贝叶斯的有限元模型修正在大型土木工程中的应用提供了方法支撑.

基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正

标准差分进化自适应Metropolis(differential evolution adaptive Metropolis,DREAM)算法需进行多条马氏链并行计算,存在收敛效率低和计算成本高的问题。为此,提出一种基于Kriging模型的多次尝试差分进化贝叶斯有限元模型修正(multiple-try differential evolution adaptive Metropolis with“ZS”,MT-DREAM(ZS))框架。该框架在DREAM的基础上引入历史向量差分采样、斯诺克更新以及多次尝试Metropolis抽样,并利用Kriging模型代替有限元模型进行随机抽样,实现利用极少数并行链便可快速探索多维修正参数后验分布。利用固结钢板梁模型试验,比较了DREAM和MT-DREAM(ZS)的修正效果。结果表明:MT-DREAM(ZS)可实现马尔科夫链的快速收敛,其收敛效率较DREAM提升了3.42倍,且修正结果精度和稳定性有提升;Kriging模型可大幅度降低计算成本。所提框架为解决多参数不确定模型修正中的收敛效率低和计算成本高等问题提供了一种新思路。

基于响应面法和ARO算法的桥梁有限元模型修正

针对桥梁结构模型修正过程中计算量大、全局寻优难等问题,提出一种基于响应面法和人工兔优化算法(artificial rabbits optimization, ARO)的桥梁有限元模型修正方法。该方法通过F检验法明确对结构响应影响显著的参数并建立响应面模型作为桥梁有限元模型的代理模型进行迭代计算,然后通过静动力联合修正法基于特征响应的响应面模型计算值和试验值构建目标函数,并通过人工兔优化算法对目标函数进行迭代计算进而获得精确的有限元模型参数。采用该方法对变截面连续刚构黄河特大桥有限元模型进行修正,结果显示:基于显著性分析结果建立的桥梁响应面模型相关系数大于0.98,且平均绝对误差低于0.05;模型修正后主梁关键截面竖向位移最大相对误差由32.97%降至5.72%,平均相对误差由20.67%降至3.61%,桥梁前3阶竖向自振频率平均相对误差仅为0.18%。可见,采用所提方法修正的模型能用于评价桥梁结构实际受力性能。

大跨径石拱桥动力特性分析与有限元模型修正

【目的】研究云南省开远市长虹桥动力性能及得到较为准确的有限元分析模型。【方法】通过环境激励法对长虹桥进行动力特性测试,并分析该桥实测模态参数;根据实测模态参数结果,对有限元模型中的弹性模量、泊松比等参数进行修正;基于理论与实测的模态分析结果,得出长虹桥较为准确的有限元分析模型。【结果】结果表明:石拱桥的跨中、L/4、3L/4、L/8和7L/8处的振动变形较大,在运营监控和检测时,应该在这5个位置布置测点,以便进行实时监测;在环境激励下,该桥没有产生侧向弯曲振动和竖向弯曲振动强度相当的扭转振动,说明结构具有良好的抗扭刚度;各阶阻尼比均在合理范围内。利用模态参数修正后的频率相关性从55.2%降至最低0.6%,数值计算结果与试验结果基本一致,参数依然具有物理意义,修正后的有限元模型能够较为准确地反映结构低阶动力特性。相关性最大为-2.4%,最小为0.6%,满足相关性在±5%以内,可作为桥梁后续检测工作的理论模型。【结论】长虹桥动力性能良好,修正后的有限元模型贴合实际桥梁。

基于各向异性断裂相场模型的自适应多尺度有限元方法

纤维增强复合材料具有复杂的断裂模式,各向异性断裂相场模型可以自动捕捉裂纹的萌生和演化,适于模拟纤维增强复合材料的断裂失效行为,但其计算成本较高.为了提高相场模型的计算效率,基于自适应网格算法和扩展的多尺度有限元方法,文章提出了一种针对各向异性断裂相场模型的自适应多尺度有限元方法.自适应网格算法会根据每一步迭代结束后网格节点上的相场变量及其增量确定裂纹路径,并自动细化裂纹路径附近的网格.断裂相场模型通过交错迭代算法进行求解,在更新位移场时,被细化的网格使用传统的有限元方法,未细化的网格使用考虑了振荡边界条件的扩展的多尺度有限元方法.更新相场时,均使用传统的有限元单元.在粗细两种单元的界面上,利用多尺度有限元方法的数值基函数对界面上的节点进行约束.利用建立的模型分别对在拉伸载荷下不同铺层角以及变刚度的纤维增强复合材料单层板的断裂行为进行分析.数值结果表明:本文提出的模型能够准确地捕捉裂纹路径,并且得到的数值结果与现有文献和试验结果吻合良好,与传统有限元相场模型相比,在保证计算精度的同时,能够显著减少计算时间.

基于RBFNN-ISSA的特大跨径悬索桥有限元模型修正

针对大跨径悬索桥一类复杂结构的有限元模型修正问题,提出了一种基于径向基神经网络(radial basis function neural network,RBFNN)子结构代理模型与改进麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm,ISSA)的有限元模型修正方法。首先,基于桥梁图纸数据采用通用有限元软件建立一座大跨悬索桥的初始有限元模型,并根据拉丁超立方抽样原则生成子结构材料参数-结构响应的训练样本,通过RBF神经网络和子结构模拟方法对初始有限元模型进行解构重组和样本学习,拟合关于材料参数-结构响应的代理模型。其次,建立考虑主梁挠度和模态频率误差最小的有限元模型参数修正数学优化模型,采用Tent混沌映射及黄金正弦策略改进标准麻雀搜索算法,引入柯西分布函数和贪心保留策略对每一代麻雀种群进行扰动,以用于求解联合静、动力特征的有限元模型修正数学优化问题。最后,以杭瑞高速洞庭湖大桥为工程背景,进行了悬索桥荷载试验,利用实测桥梁响应数据验证了该方法的可行性。研究结果表明:基于RBF神经网络与子结构法的模型修正方法,可以建立拟合精度较高的悬索桥结构代理模型;基于子结构RBF神经网络与改进麻雀搜索算法修正后的有限元模型相较于整体RBF神经网络、支持向量机和Kriging模型,大幅提升了对于实际结构的模拟精度,与实测数据相比,修正前后有限元模型在两级静力加载工况下13个有效测点挠度的平均相对误差降低了25%以上,前8阶模态频率的平均相对误差由-6.83%降至-2.38%,MAC值结果表明修正后模型能够准确地反映出大桥的实际振动状态,有效改善了初始有限元模型计算失真的情况;此外,基于混合策略改进后的麻雀搜索算法对于有限元模型修正参数的寻优具有更佳的收敛效率和稳定性。

基于高阶振动频率法的拱桥扣索索力及有限元模型修正研究

为提升钢管混凝土拱桥斜拉扣挂施工的现场控制精度,文章提出了基于振动频率法的拱桥扣索索力修正方法。通过引入固定梁模型,建立扣索索力与扣索材料固有属性的对应映射关系;结合现场扣索索力监测,对现场油压表读数进行修正;基于三维空间有限元分析,建立了拱桥扣索索力修正模型;通过与有限元模型进行对比分析,验证该方法的有效性。结果表明:与油压表读数相比,基于加速度传感器的振动频率法用于扣索索力监测不仅具有较高的精度和适用性,而且可以针对现场油压千斤顶回油以及读数误差等造成的索力偏差,对扣索索力值进行更新优化,为钢管混凝土拱桥的施工提供更为科学、准确的索力监测与控制方法。

基于多尺度有限元的网架结构施工过程分析

网架结构的施工过程模拟多采用杆系模型,不能反映网架节点以及顶升处的复杂应力情况,容易导致网架结构施工过程出现安全隐患,为此提出了基于多尺度有限元的网架结构施工过程分析方法。首先对比了位移协调、做功协调以及二者组合的多尺度有限元界面连接模型。随后以济宁北站网架结构施工过程为例,通过多尺度有限元分析了三种典型施工方案下的结构力学响应。结果表明:采用基于位移协调的多尺度界面连接方法用于网架结构施工过程分析可兼顾实施效率和计算精度,精细单元长度取0.9~1.1倍圆管截面外径时能够避免圆管截面出现应力集中,符合平截面假定。采用“现场地面分块拼装、整体顶升、高空散装”的施工方案,结构最大应力为292.3 MPa,最大位移为59.6 mm,最为安全。

基于空间位形的FAST索网有限元模型修正方法研究

500m口径射电望远镜FAST采用柔性索网作为主要支承结构,在使用过程中频繁张拉索网主索,不可避免的造成主索的预应力损失,使主索的实际受力状态与有限元模型中的计算索力出现偏差,从而影响主索疲劳寿命的评估结果。考虑索网结构的内力分布与空间位形相关,本文根据现场监测数据提出一种基于空间位形的索网结构有限元模型修正方法,首先获取索力数据和节点的坐标数据,然后根据节点的平衡方程和约束条件建立非线性规划数学模型,最后利用序列二次规划算法(SQP)求解实现结构有限元模型的修正。数值模拟结果显示,索力误差在10%范围内的索数目占比由修正前的56.8%提升到87.7%,修正后有限元模型与实际受力状况更为接近,验证了该方法的可行性。本文所提出的方法不仅可以用于修正FAST索网结构的有限元模型,同时也可为其他类似的大型索网结构模型修正提供参考。

基于有限元修正法的薄膜温度本构构建及验证

目的由于薄膜在受力过程中易产生颈缩现象,且具有强烈的温度依赖性,现有工程应力-应变与本构模型均不能准确描述温度变化下的薄膜材料的载荷位移曲线,造成预测结果与实际严重不符,该问题亟待解决。方法在准静态拉伸(10 mm/min)与不同温度(-20、0、20、40、60℃)条件下,利用万能材料试验机对PE/PA/PE薄膜试样进行单轴拉伸试验,基于有限元修正法对材料的塑性应力进行修正,采用指数函数对PE/PA/PE薄膜的弹性模量、屈服强度进行描述,针对Johnson-Cook本构模型中的形函数进行修正,结合应变-温度耦合的温度项构建PE/PA/PE薄膜100%应变下的塑性应力-应变模型,在单层PE与五层PE/PA/PE/PA/PE薄膜中进行仿真验证。结果在-20~60℃下100%应变范围内薄膜颈缩从7.86 mm增加到8.12 mm;弹性模量、屈服强度与塑性应力随着温度的升高呈非线性降低;基于有限元修正法对真实应力应变进行修正并进行对比,发现相对误差由83.94%降低到4.73%;采用指数函数对弹性模量、屈服强度进行拟合,R2值分别为0.936和0.947;改进后的形函数与原模型对比,相对误差从42.5%降到6.49%;温度项与修正后的应力-应变最大相对误差为7.21%。将新构建的模型应用于PE与PE/PA/PE/PA/PE薄膜,最大相对误差为4.91%。结论在温度-20~60℃内,基于有限元修正法和修正后的本构模型能够很好地描述应变在100%以内的屈服强度、弹性模量和塑性应力随温度变化的规律,研究结果为薄膜的应用奠定了理论基础。

结合SVR响应面与粒子群优化的有限元模型修正

提出了一种模型修正方法,可以在不依赖模型灵敏度的前提下,利用较少的计算量实现对结构有限元模型的参数修正。该方法首先构建代理模型替代结构有限元模型,通过计算少量样本点,训练支持向量回归机(support vector regression, SVR)预测参数所对应的响应;其次,以结构固有频率的残差为目标函数,利用粒子群优化算法实现全局寻优求解,得到修正后的有限元模型参数;进一步,以带孔平板为试验研究对象,基于实测数据验证了所提方法的有效性,并讨论不同参数、样本点数等对模型修正精度的影响;最后,用某卫星结构模型修正算例证明了该方法相对基于灵敏度分析的方法在计算耗时上的优势。该研究旨在为具有复杂参数-响应特征的结构模型修正提供技术支持。

基于响应面法的钢管混凝土组合桁梁桥多尺度有限元模型修正

为建立适用于钢管混凝土桥梁的高效、高精度有限元分析模型,提出一种基于响应面法的全桥多尺度有限元模型修正方法。首先以一座钢管混凝土组合桁梁桥为工程背景建立包含全桥、组合桁梁桥面板以及钢管混凝土桁架杆件3个尺度的ABAQUS全桥多尺度有限元模型。在考虑钢管混凝土结构的特点和施工误差的基础上选取桥面板混凝土弹模、厚度,桁架弦杆内混凝土弹模,钢材弹模以及加载车辆荷载5个影响因素作为待修正参数;根据实桥试验条件选择中跨跨中挠度、下弦空管弦杆应力、墩顶钢管混凝土弦杆应力、墩顶受压腹杆应力以及桥面板顺桥向应力5个目标函数。其次采用中心复合设计方法生成了待修正参数的样本集,并将每组参数样本代入有限元模型进行计算。进而采用响应面法建立待修正结构参数和目标函数的2次多项式函数关系,结合参数显著性分析得到响应面方程。最后结合实桥试验结果对多尺度有限元模型3个尺度上的结构参数进行同步修正。结果表明:修正后的参数变化情况与依托工程的实际施工情况相符;采用修正后的参数建立的多尺度有限元模型计算值与实桥试验结果吻合良好;修正后的有限元模型具有较高的精度,可真实反映实际工程中桥梁结构的受力状态。该修正方法可为桥梁结构运营期间的健康监测、状态评估、损伤检测提供可靠的分析手段。

面向天线板热变形的有限元模型修正方法

为满足卫星天线板的在轨热变形测量要求,需要建立精确有限元模型模拟天线板热变形过程。蜂窝夹层板作为天线板主体结构,在有限元建模过程中通常需要对其进行简化处理,导致有限元计算结果与实验测量值之间存在差异。针对上述问题,进行了高温环境下天线板结构的热变形实验,得到温度场分布与热变形位移矩阵。通过对温度场拟合得到有限元模型热载荷。在此基础上,提出了利用天线板有限元模型与实验模型面外位移测量矩阵的均方根误差作为修正目标,基于多岛遗传算法的有限元模型修正方法,对模型材料参数与边界条件进行修正。修正后有限元模型的预测精度得到了明显提高。

基于多尺度模型的编织复合材料圆管扭转行为有限元模拟

为进一步探究编织复合材料圆管在扭转加载过程中的力学响应,在前期试验研究的基础上,以具有45°编织角的碳纤维/树脂复合材料圆管为例,采用了综合考虑圆管的细观结构和全尺寸模拟计算成本的多尺度方法构建了编织复合材料圆管有限元模型,系统模拟了其扭转加载过程,并分别讨论了圆管单胞的剪切和圆管的扭转渐进损伤过程。结果表明:模拟结果与试验结果具有较高的一致性;圆管单胞在剪切失效之前的损伤分布基本呈对称状态,纤维束早于基体形成损伤,承担主要载荷;纤维束编织路径对圆管的扭转损伤扩展有一定的影响,从损伤出现至结构完全失效的用时很短,损伤单元在扭转加载末期产生于圆管中部,并沿纤维束编织路径扩展,最终形成空间螺旋型损伤剪切带。

基于Kriging模型的航空发动机管道系统有限元模型修正

为获得精确可靠的航空发动机外部管道结构动力学模型,采用将Kriging模型与多目标遗传算法(MOGA)相结合的模型修正方法进行有限元模型修正.首先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;然后在合理的参数选取和试验设计(DOE)的基础上,拟合得到Kriging模型;最后基于Kriging模型采用多目标遗传算法进行有限元模型修正,并对比了不同修正方法的精度和修正效果.结果表明:采用Kriging模型进行有限元模型修正可以有效提升修正效果,获得更为准确的有限元模型;对于航空发动机管道系统,基于Kriging模型的模型修正方法相较于基于灵敏度分析的模型修正方法具有更高的修正效率和修正精度.

基于响应面模型的桥梁有限元修正方法研究

由于实际运营的桥梁存在不同程度的病害,建立的有限元模型往往不能准确反映桥梁实际工作状态。因此,需要基于实测的结构响应参数来修正模型,最大限度减小有限元模型计算值与实际运营参数之间的差异。结合统计学理论以及模型修正技术中的响应面模型修正方法,通过拟合,得到桥梁结构响应与设计参数之间的显示函数表达式,从而用响应面模型取代初始有限元模型,可在结构的响应面模型内求得最优解。计算结果表明,修正后的有限元计算误差显著降低,满足工程精度要求。

基于IPSO-BP神经网络的连续刚构桥有限元模型修正

针对大跨度连续刚构桥有限元模型修正问题,提出一种基于改进粒子群算法优化BP神经网络的有限元模型修正方法。首先建立有限元模型修正的数学优化模型,其次通过改进标准粒子群算法对BP神经网络超参数进行优化,最后基于优化BP神经网络代理模型对有限元结构参数进行寻优求解。研究结果表明:基于优化BP神经网络的代理模型相较于未经优化的具有更高的拟合精度;修正后的有限元模型挠度理论计算值与实测值的平均相对误差仅为1.86%。