橋梁有限元模型的修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種橋梁有限元模型的修正方法，包括以下步驟：S1，通過通用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立全橋的實(shí)體有限元模型；S2，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行一次修正。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：均勻設(shè)計(jì)方法作為一種優(yōu)越性明顯的試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正上是可行的；基于均勻設(shè)計(jì)方法從效率上來講它可以利用較短的時(shí)間找到一個(gè)比較正確的結(jié)果，提高了橋梁大型有限元模型修正的效率；響應(yīng)面方法作為一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的數(shù)學(xué)分析方法，運(yùn)用于大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型修正中是可行的；可以同時(shí)保證較高的修正效率和修正精度。
【專利說明】橋梁有限元模型的修正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種橋梁有限元模型的修正方法，屬于橋梁有限元模型修正【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]橋梁作為交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵點(diǎn)，在我們的日常生活中承擔(dān)著極其重要的角色。正是因?yàn)橐蛔鶚蛄旱拇嬖?，使得全?guó)的公路以及鐵路運(yùn)輸網(wǎng)得以貫通，構(gòu)成了四通八達(dá)交通運(yùn)輸系統(tǒng)，橋梁對(duì)于城市交通的重要性也與日俱增。近幾年隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我們國(guó)家在橋梁建設(shè)方面取得了巨大的成就，同時(shí)，橋梁工程又是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的工程，因此橋梁的健康情況需高度重視。但是，隨著橋梁服役期的增長(zhǎng)，橋梁自身的內(nèi)部機(jī)構(gòu)、材料都會(huì)慢慢的發(fā)生變化，致使橋梁的承載能力降低。當(dāng)這些的損傷積累到一定程度時(shí)，橋梁就可能發(fā)生事故。橋梁一旦發(fā)生重大事故，將會(huì)造成難以預(yù)估的損失。
[0003]面對(duì)橋梁坍塌所帶來的巨大損失，除了在橋梁的設(shè)計(jì)和施工時(shí)多加重視，橋梁的損傷預(yù)警也越來越受到關(guān)注。因?yàn)槿裟軌蚴沟脴蛄侯A(yù)警起到重要的作用，不僅能夠避免人員的傷亡，還能夠?qū)蛄旱膿p傷及時(shí)修復(fù)，避免等到橋梁嚴(yán)重受損時(shí)修復(fù)所花費(fèi)的巨大資金，如美國(guó)現(xiàn)有的橋梁中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)缺損或者陳舊急需修復(fù)所需資金大約有700億美元，我國(guó)每年也需要在橋梁維護(hù)中花費(fèi)38億元才能使得橋梁正常工作。因此，利用橋梁有限元模型對(duì)橋梁的性能進(jìn)行評(píng)估同時(shí)對(duì)特定荷載工況下的響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)并及時(shí)進(jìn)行損傷預(yù)警，就能夠確保橋梁的安全使用，以減少不必要的損失，而橋梁有限元模型精度的高低決定了其是否可以實(shí)現(xiàn)上述目的。
[0004]現(xiàn)有的模型修正技術(shù)主要分為兩大類:一種是針對(duì)已建立的有限元模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的優(yōu)化修正，一種是針對(duì)有限元模型的參數(shù)進(jìn)行修正。前者主要是針對(duì)關(guān)鍵位置的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格再劃分，增加關(guān)鍵部位的網(wǎng)格數(shù)量，這樣會(huì)增加有限元分析時(shí)的計(jì)算時(shí)間，如果建模過程中是嚴(yán)格按照橋梁的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行的，這種修正方法的修正效果不是很明顯。針對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正時(shí)分為基于動(dòng)力信息(如橋梁結(jié)構(gòu)的頻率、振興等)和靜力信息(如橋梁結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變等)的修正。在過去近20年里，依據(jù)振動(dòng)模態(tài)分析為核心的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)相當(dāng)成熟，基于動(dòng)力信息的動(dòng)力有限元模型修正技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)為研究的熱點(diǎn)，然而這種修正技術(shù)有其局限性:動(dòng)力信息數(shù)據(jù)容易受噪聲影響，經(jīng)過動(dòng)力信息修正的模型無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力分析。因而用靜力信息對(duì)模型進(jìn)行修正顯得尤為重要。
[0005]《土木工程報(bào)，2008(12):73_78》公開了一種基于響應(yīng)面的橋梁有限元模型修正方法；《振動(dòng).測(cè)試與診斷》2012年02期公開了一種基于MIGA的結(jié)構(gòu)模型修正及其應(yīng)用方法，二者采用響應(yīng)面法分別將試驗(yàn)設(shè)計(jì)和回歸分析方法以及多島遺傳算法(MIGA)應(yīng)用到有限元模型中，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但是其存在的缺點(diǎn)是:對(duì)于大型復(fù)雜的系統(tǒng)來說，精度一般，而且計(jì)算量比較大。另外，Sanayei, Masoud, Bell, Erin Santini, Javdekar, Chitra N,et al.Damage localizat1n and finite—element model updating using multiresponseNDT data[J].Journal of Bridge Engineering，2006，11 (6):688-698公開了一種橋梁的多響應(yīng)無損檢測(cè)技術(shù)的有限元分析方法，其將基于多響應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)損傷局部化的損傷指數(shù)作為最終的損害結(jié)果，該參數(shù)估計(jì)方法可用于多種數(shù)據(jù)類型，但是該方法也并不涉及針對(duì)靜力數(shù)據(jù)對(duì)初始有限元模型進(jìn)行修正的內(nèi)容，因此還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種橋梁有限元模型的修正方法，它可以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，尤其是現(xiàn)有的橋梁有限元模型修正方法的修正效率和修正精度較低的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:一種橋梁有限元模型的修正方法，包括以下步驟:
[0008]SI，通過通用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立全橋的實(shí)體有限元模型；
[0009]S2，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行一次修正。
[0010]優(yōu)選的，步驟S2所述的采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行一次修正具體包括:
[0011]XI,選取目標(biāo)函數(shù)Q(X)和待修正的參數(shù)變量x(如m個(gè))；
[0012]X2，將每個(gè)參數(shù)變量的取值劃分為η個(gè)水平(所述水平的個(gè)數(shù)η根據(jù)工程要求的精度來確定)；
[0013]Χ3，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表及其使用表選取參數(shù)水平組合進(jìn)行試驗(yàn)(每次試驗(yàn)即為一次有限元模型計(jì)算)；
[0014]Χ4，將每次試驗(yàn)得到的靜力數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)靜力數(shù)據(jù)帶入目標(biāo)函數(shù)和誤差指標(biāo)函數(shù)中即得每次試驗(yàn)的結(jié)果；
[0015]Χ5，比較各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，得目標(biāo)函數(shù)與誤差指標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的參數(shù)水平，基于此參數(shù)水平的有限元模型(即試驗(yàn))即一次修正后的基準(zhǔn)有限元模型。
[0016]步驟Χ3中，所述的均勻設(shè)計(jì)表包括列號(hào)和實(shí)驗(yàn)號(hào)，在每個(gè)因素上面只做一次實(shí)驗(yàn)，比如本發(fā)明中提到的，只在彈性模量、密度、泊松比這三個(gè)因素上面，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)只做一次實(shí)驗(yàn)。而使用表中，則加入了偏差D，D的值越小表示均勻度越好，另外，在使用表中，還包含因素?cái)?shù)、列號(hào)。此因素?cái)?shù)和列號(hào)是和設(shè)計(jì)表所對(duì)應(yīng)的，本發(fā)明中的因素?cái)?shù)為3。然后，利用相關(guān)構(gòu)造表的算法和準(zhǔn)則，包括化簡(jiǎn)的方法對(duì)表格進(jìn)行處理。所述的均勻設(shè)計(jì)表及其使用表中的數(shù)值，是由傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇的，一組傳感器傳來的一批數(shù)據(jù)看作是一次實(shí)驗(yàn)，且根據(jù)試驗(yàn)研究，均勻設(shè)計(jì)法的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，選取因素?cái)?shù)的3~5倍為最佳。
[0017]本發(fā)明步驟Xl所述的目標(biāo)函數(shù)Q(X)具體為:

【權(quán)利要求】
1.一種橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，建立全橋的實(shí)體有限元模型； S2，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行一次修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟S2所述的采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行一次修正具體包括: XI，選取目標(biāo)函數(shù)Q(X)和待修正的m個(gè)參數(shù)變量X ; X2，將每個(gè)參數(shù)變量的取值劃分為η個(gè)水平； Χ3，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表及其使用表選取參數(shù)水平組合進(jìn)行試驗(yàn)； Χ4，將每次試驗(yàn)得到的靜力數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)靜力數(shù)據(jù)帶入目標(biāo)函數(shù)和誤差指標(biāo)函數(shù)中即得每次試驗(yàn)的結(jié)果； Χ5，比較各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，得目標(biāo)函數(shù)與誤差指標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的參數(shù)水平，基于此參數(shù)水平的有限元模型即一次修正后的基準(zhǔn)有限元模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟Xl所述的目標(biāo)函數(shù)Q(x)為: λ, 、 m(^O—右1— Ω(χ)=ΣΥ?(^^^)■

Si 其中，Q(x)為目標(biāo)函數(shù)，ri為權(quán)重系數(shù)，ε i⑴為第i點(diǎn)的應(yīng)變值，Ci為i個(gè)應(yīng)變的平均值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟Xl所述的誤差指標(biāo)函數(shù)為: 單個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差率: F(Xi)=^CliL
Xf I 所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均誤差率:
I ?
1.u , I γ 一.γ P{x)=Ijp^L ;
叫X1 式中，Xi> X,分別為有限元模型計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的均勻設(shè)計(jì)法的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為因素?cái)?shù)的3?5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5任一所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，還包括以下步驟: S3，利用均勻設(shè)計(jì)法選取試驗(yàn)點(diǎn)生成響應(yīng)面，采用響應(yīng)面法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行二次修正。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟S3中所述的利用均勻設(shè)計(jì)法選取試驗(yàn)點(diǎn)生成響應(yīng)面，采用響應(yīng)面法對(duì)該全橋的實(shí)體有限元模型進(jìn)行二次修正具體包括: a,通過均勻設(shè)計(jì)表獲得橋梁隨機(jī)參數(shù)變量X的ns個(gè)樣本點(diǎn)，通過均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)即得響應(yīng)面目標(biāo)函數(shù)Y的樣本點(diǎn)數(shù)值，Y = Iy1, y2,...，ynJ ； b，利用參數(shù)變量X和目標(biāo)函數(shù)Y的樣本點(diǎn)數(shù)值回歸分析得待定因子的最小二乘估計(jì)值，進(jìn)而獲得響應(yīng)面函數(shù)； c,對(duì)響應(yīng)面函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得響應(yīng)面目標(biāo)函數(shù)與誤差指標(biāo)函數(shù)最小時(shí)的參數(shù)變量取值，基于此參數(shù)變量的結(jié)構(gòu)有限元模型即為橋梁二次修正后的有限元模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的參數(shù)變量X=[E，P，μ ]，其中，E為混凝土彈性模量，P為混凝土密度，μ為泊松比。
9.根據(jù)權(quán)利要求6?8任一所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，還包括:S4，依據(jù)修正后的模型，判斷其獲得的應(yīng)力損失量或彈性模量損失量是否達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104133959SQ201410363631
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】吳朝霞, 王立夫, 胡立朋, 邵元隆, 李俞呈, 樊紅 申請(qǐng)人:東北大學(xué)