[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于正向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410669706.7
• 申請(qǐng)日: 2014-11-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104484502A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱宏平;翁順;夏勇;毛羚
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50;G06F19/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專(zhuān)利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程大型結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于正向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法。

背景技術(shù)

土木工程結(jié)構(gòu)是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，結(jié)構(gòu)物的安全直接關(guān)系到人民生命、財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)安定。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)興建了大量的高層建筑、大空間結(jié)構(gòu)和大跨度橋梁。為了保證這些結(jié)構(gòu)物的安全施工和正常長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性、整體性、耐久性的短期和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估。因此，精確的有限元模型是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和健康評(píng)估的重要基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)健康評(píng)估在一定程度上依賴(lài)于模型修正和損傷識(shí)別的分析結(jié)果。

傳統(tǒng)的有限元模型修正方法通常基于結(jié)構(gòu)整體性態(tài)參數(shù)(頻率、振型、柔度矩陣等)確立優(yōu)化目標(biāo)，修正對(duì)象為整體結(jié)構(gòu)的不確定性結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括：?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠取⒚芏取⒅ёs束等。

基于靈敏度分析的優(yōu)化算法，需要重復(fù)提取整體結(jié)構(gòu)模型的特征解及其對(duì)修正參數(shù)的靈敏度矩陣。優(yōu)化過(guò)程中，即使一個(gè)修正參數(shù)發(fā)生改變，也需要重新組集整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)矩陣、重新分析整體結(jié)構(gòu)模型。

大型結(jié)構(gòu)精細(xì)的有限元模型通常由大量的單元和節(jié)點(diǎn)組成，有限元模型和系統(tǒng)矩陣(剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣等)需要占用海量的內(nèi)存空間；有限元模型修正是一個(gè)迭代過(guò)程，需要重復(fù)提取有限元模型的模態(tài)參數(shù)和靈敏度矩陣，從而達(dá)到優(yōu)化參數(shù)的目標(biāo)；重復(fù)的有限元模型分析(例如：提取特征解、求解靈敏度矩陣)需要較高的硬件設(shè)備和較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間；大型結(jié)構(gòu)的有限元模型中存在大量的材料、幾何特性以及邊界條件的假定，需要修正的結(jié)構(gòu)參數(shù)勢(shì)必增加，大量修正參數(shù)使優(yōu)化過(guò)程容易出現(xiàn)病態(tài)或者收斂緩慢的問(wèn)題，優(yōu)化結(jié)果欠佳。另外，大型結(jié)構(gòu)有限元模型通常有上萬(wàn)單元和結(jié)點(diǎn)構(gòu)成，不確定性參數(shù)多，導(dǎo)致模型修正過(guò)程效率低、精度差，難以配合實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)和狀態(tài)評(píng)估，限制了有限元模型修正技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于正向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法，其目的在于在有限元模型修正過(guò)程中將對(duì)整體結(jié)構(gòu)的分析轉(zhuǎn)換為對(duì)子結(jié)構(gòu)的分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)局部發(fā)生損傷概率較大的區(qū)域需要修正時(shí)，只需迭代分析某一個(gè)或幾個(gè)子結(jié)構(gòu)模型，而不必對(duì)整體結(jié)構(gòu)模型迭代分析，從而有效地提高大型結(jié)構(gòu)有限元模型修正的精度和效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于正向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法，包括以下主要步驟：

(1)將整體結(jié)構(gòu)有限元模型劃分互不相關(guān)的獨(dú)立子結(jié)構(gòu)模型；

(2)根據(jù)子結(jié)構(gòu)模型，建立整體結(jié)構(gòu)特征方程，獲取整體結(jié)構(gòu)特征解，包括特征值和特征向量；

(3)基于子結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)特征方程建立整體結(jié)構(gòu)特征靈敏度方程，求解整體結(jié)構(gòu)特征解靈敏度矩陣；

(4)根據(jù)整體結(jié)構(gòu)特征解與實(shí)測(cè)整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)B(tài)的殘差建立目標(biāo)函數(shù)；獲取目標(biāo)函數(shù)關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度矩陣；依據(jù)所述靈敏度矩陣提供的搜索方向，調(diào)整子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使目標(biāo)函數(shù)最小化；目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)即為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；調(diào)整有限元模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成有限元模型修正；所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括單元?jiǎng)偠葏?shù)；

(5)根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取單元?jiǎng)偠日蹨p系數(shù)，根據(jù)單元?jiǎng)偠日蹨p系數(shù)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)還包括以下子步驟：

(2.1)根據(jù)子結(jié)構(gòu)模型，建立子結(jié)構(gòu)特征方程，表示如下：

K(j)φi(j)=λi(j)M(j)φi(j)]]>