有限元模型修正研究进展:从线性到非线性

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.      

Recent progress on finite element model updating: From linearity to nonlinearity

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.     

结构动力学有限元模型修正的发展——————模型确认

结构动力学有限元建模精度问题是力学分支中受到广泛关注的研究课题之一. 以提高建模精度为目标的有限元模型修正技术的发展日臻完善, 并已逐步在工业界得到应用. 然而模型修正技术未能全面解决建模精度中存在的问题. 近几年以美国三大国家实验室为代表的科技人员提出了模型确认技术, 以希望全面解决结构动力学建模精度问题. 本文以模型修正为基础, 讨论模型确认的相关问题以及与模型修正的关系.      

结构动力学有限元模型修正的目标函数及算法

结构动力学有限元模型修正是结构动力学领域的一个热点问题,回顾了结构动力学有限元模型修正研究的发展历史和现状,简要评述了结构动力学有限元模型修正所使用的设计变量,着重阐述了各种结构动力学有限元模型修正方法中所使用的目标函数及修正算法,讨论了工程结构动力学有限元模型修正的一些策略,最后对结构动力学有限元模型修正技术的发展进行了总结和展望.     

基于信息融合技术的结构模型修正研究

提出基于信息融合技术的结构模型修正法.在概率思维条件下,采用二次响应面代替有限元模型,通过调整融合系数实现先验信息和实测信息的融合,并利用响应面自身特性和精度要求进行迭代修正.该方法计算量小,程序化高,易于工程应用,还可推广至非线性等复杂情况.某抽水蓄能电站地下厂房结构的有限元模型修正结果验证了该方法的有效性.     

结构动力学有限元模型确认方法研究

随着结构动力学求解问题的复杂化，有限元分析方法越来越起着关键作用。由于许多结构系统本身存在不确定性因素，试验数据存在随机误差，而计算的三类误差也会包含着不确定性误差，如何用有限的试验来修正和检验计算模型，最后得到具有一定置信度的有限元模型，即模型确认，在工程领域越来越得到关注。在与模型修正比较的基础上，详细讨论了模型确认的主要研究内容，并结合两个应用实例，讨论模型确认的总体思路与实现方法。     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力响应和结构参数之间复杂的隐式关系用显式函数近似表达出来;在此响应面模型(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.     

结构动力模型修正方法的比较研究及评估

在实际工程中,由结构动力模型得到的计算值与通过试验获得的测量值间往往存在偏差,为了能够精确预测结构的动力响应,依据测量信息修正存在的动力模型是非常必要的.对现有几种有效的用于结构动力模型修正的理论方法(包括基于敏感性分析的矩阵型法、基于神经网络算法的参数型法和基于遗传优化算法的方法)做了详细的综述;介绍了这些方法的步骤和研究进展;并分析了这些动力模型修正方法在工程运用中存在的一些实际问题,如不完整的模态测量值、模型修正的鲁棒性、模型修正的计算效率和收敛性等.最后,通过对一实际的五层钢框架的动力模型修正,比较了这几种方法的优缺点,提出了今后需要解决的问题.      

基于不同MCMC抽样子集模拟的模型修正方法对比研究

子集模拟方法作为结构可靠度分析方法,也可应用于工程优化问题,诸如优化设计、模型修正等．为研究基于不同蒙特卡洛马尔可夫链(MonteCarloMarkovChain,MCMC)抽样的子集模拟优化方法(Subset Simulation Optimization, SSO),以有限元模型修正作为优化背景问题,开展其精度和效率的对比研究．介绍标准SSO和子集模拟(Subset Simulation, SS)常见的MCMC抽样方法,并基于上述不同MCMC抽样的SSO开展某局部损伤悬臂梁（10维变量）的有限元模型修正,修正结果与基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)的模型修正方法进行对比;而后将上述不同MCMC抽样的SSO修正方法应用于某四层钢框架有限元模型修正中（11维变量）．结果表明,采用随机游走的延迟拒绝修正M-H方法(MMH algorithm with Delayed Rejection, MMHDR)和自适应条件抽样方法(Adaptive Conditional Sampling, ACS)的SSO有限元模型修正具有较好的精度和效率,在工程结构有限元模型修正中更具...     

结构动力模型修正技术的发展

在计算机技术飞速发展之前,为了了解航天器在极端载荷情况下的力学行为,通常采用足尺结构星试验的办法.结构星试验方法用于结构的分析和力学行为预测,存在着耗资较大和周期较长的不足.随着数值分析技术的发展,用有限元分析结合模型修正技术代替大型试验已经成为可能.本文评述了自上个世纪70年代末期以来结构动力模型修正技术的发展,包括早期直接对总体矩阵的修正技术,还有从90年代初期发展起来的对矩阵元素或设计参数进行修正的技术.总结了元素型修正方法中的迭代法、优化法以及摄动法,其中包括考虑了试验误差的统计算法和大型复杂结构修正的遗传算法.介绍了模型修正技术中的自由度匹配技术、灵敏度分析技术和对模型修正方法的有效性进行检验的一些经验标准,归纳了目前模型修正技术还需要解决的一些关键技术问题.      

基于结构代理模型与二级优化策略的航天结构模型修正研究

随着我国航天事业的不断发展,航天结构形式越来越复杂,有限元结构模型往往存在各种假设和简化,因此与实际结构往往存在一定的误差,特别是部件的连接、边界条件的不确定以及材料性能(尤其是复合材料)与工艺的不确定性,都会对有限元模型的分析精度产生较大影响。本文基于初始有限元模型,通过试验设计构造结构代理模型,然后采用遗传优化算法与梯度优化算法的二级优化策略进行模型修正。另一方面,在每次模型修正迭代分析之前,自动进行置信值MAC(Modal Assurance Criterion)分析,使有限元分析模型与实验结果进行匹配,提高模型修正的正确性。分析表明该修正方法具有较高的分析精度,也能对结构参数进行识别。     

基于结构代理模型与二级优化策略的航天结构模型修正研究Updating finite element dynamic models of aerospace structures based on the surrogate model and 2-level optimization strategy

随着我国航天事业的不断发展,航天结构形式越来越复杂,有限元结构模型往往存在各种假设和简化,因此与实际结构往往存在一定的误差,特别是部件的连接、边界条件的不确定以及材料性能（尤其是复合材料）与工艺的不确定性,都会对有限元模型的分析精度产生较大影响。本文基于初始有限元模型,通过试验设计构造结构代理模型,然后采用遗传优化算法与梯度优化算法的二级优化策略进行模型修正。另一方面,在每次模型修正迭代分析之前,自动进行置信值MAC（Modal Assurance Criterion）分析,使有限元分析模型与实验结果进行匹配,提高模型修正的正确性。分析表明该修正方法具有较高的分析精度,也能对结构参数进行识别。     

预应力混凝土平面杆系结构的有限元方法

建立了基于有限元方法的考虑材料和几何非线性的任意截面预应力混凝土平面杆系结构的数值分析模型,可用于模拟预应力混凝土大跨度梁、单向偏压细长柱等的非线性全过程结构响应。引入修正的Rodriguez截面模型确定截面切线刚度,其中混凝土的贡献通过截面边界顶点定义的梯形单元来实现;在此基础上利用传统的平面非线性杆单元导出了标准有限元公式。通过两个算例验证了该模型的可靠性和适用性。     

考虑支承的大跨度索膜结构整体分析与设计

基于修正的拉格朗日法,建立非线性有限元平衡方程,介绍了空间梁单元非线性刚度矩阵。针对此类结构在形态分析及设计中的难点问题,提出利用定力单元、定形单元和微调单元建立数值模型。采用AutoCAD二次开发工具ObjectARX编制有限元软件,能够进行考虑支承的大跨度索膜结构整体分析与设计。以芜湖体育场为工程背景,进行了形态分析和长期荷载组合下的反应。计算结果表明,本文所提方法和有限元软件显著地提高了设计工作的效率,并能准确地获得满足设计要求的结构初始形态及受力分析数据,便于实际工程的设计应用。     

民用飞机客舱窗对机身扭转刚度的影响

在民用飞机的设计阶段,需要对整机进行模态分析,而如何准确地得到机身、机翼等主要结构部件的刚度数据就显得尤为重要.工程上一般采用闭室结构的刚度计算方法计算各截面刚度,并在此基础上对某些特殊截面的刚度进行修正.为了能让修正后的结果更加接近实际情况,有必要对客舱窗、登机门以及货舱门等局部开口对截面刚度的影响进行研究.本文借助有限元软件PATRAN/NASTRAN,对机身有限元模型进行加载,根据变形结果反推截面的扭转刚度,并将此得到的扭转刚度与闭室结构的计算结果进行比较.通过比较发现,客舱窗对机身扭转刚度有较明显的影响,为工程计算中的修正提供了参考.     

LS—DYNA3D等非线性结构动力响应分析程序的局限性

通过理论分析和数值算例研究了采用LS－DYNA3D等非线性动力响应分析有限元程序于具有较大刚体转动的结构时,可能出现错误的应力和应变计算结果。主要原因是采用增量形式的应力修正时,其客观性被破坏。这是此类工程软件亟待改进的问题之一。     

点式压电智能结构的模型修正与振动主动控制

提出了在点式压电智能结构中应用摄动有限元方法对结构的有限元模型进行修正 ,从而达到提高建模精度 ,改善实际结构振动主动控制效果的目的。通过对一悬臂梁在模型修正前后进行振动主动控制的不同的控制效果验证了该方法的有效性     

载人登月转移轨道偏差传播分析与中途修正方法概述

载人登月转移轨道是指地月转移轨道和月地返回轨道,其上飞行器飞行时间长、动力学模型复杂、非线性强且变系数.因此,工程任务中偏差不可避免,对偏差的控制直接影响任务执行的效果甚至成败.在概述载人登月转移轨道研究基础上,总结了偏差传播分析方法、最优中途修正策略及中途修正瞄准算法.最后,对我国未来载人登月转移轨道中途修正提出一些建议.     

深梁理论的研究现状与工程应用

综述了深梁理论、截面剪切修正系数计算理论、深梁线性与几何非线性有限元、深梁材料非线性分析、深梁振动理论、深梁稳定理论、箱梁结构分析中弯曲、剪力滞、畸变分析时考虑剪切变形影响的计算理论、钢腹板桥梁考虑剪切变形的研究成果、弹性地基深梁、深梁理论在工程结构中的应用等. 提出了杆系结构的静力、振动和稳定分析方法都可用Timoshenko 深梁理论进行重建和重写.     

组合结构有限元模型的分步实验校正

本文从结构有限元建模实际情况出发，提出了一个组合结构有限元分析模型的分步实验校正方法。分析模型的误差主要归于两类：一是某些子结构因局部形状复杂；经过分简化而引起。二是各子结构间连接参数估计不准而引起。为此，建议分步校正，先利用子结构动态实验数据，修正子系统阵中与简化处相关的局部物理参数，再由组合结构的动态实验数据，修正子结构间连接参数，从而完成整体有限元模型的修正。导出了修正公式，给出了修正算法。