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.      

动力模型总体修正的近似解析解

本文针对土木工程中理论计算的要求和特点，基于逆特征值理论给出了一种适合有限元动力模型总体修正的广义逆特征值方法，该方法在给出修正解的表达式基础上，要求修正解满足动力模型的力学特征，且仅需要少量试验数据，是一种简单、实用的有限元模型修正方法．     

利用频响函数对阻尼结构进行模型修正的方法

基于频响函数和模型缩聚技术提出了一个动力结构模型修正方法。与传统频响函数法相比,由于引入了阻尼刚度比,减少了修正参数,提高了计算效率。并且针对传统频响函数法测试维数过高的缺点,引入模型缩聚技术,降低了模型测量维数的要求。数值算例证明了本方法的有效性与可行性。本方法可以对有阻尼的模型进行修正,克服了模态修正法的缺点;利用模型缩聚减小了测试点的数目,引进单元阻尼刚度比。与传统的频响函数修正法相比,减少了修正未知数,提高计算效率,并且修正结果也较准确。     

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.      

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.      

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.     

复杂承载钢结构模态参数识别与综合性能评价

提出了根据动力特性试验识别结构的模态参数,运用优化算法修改动力有限元模型,进而评价复杂承载钢结构练合性能的方法.针对复杂承载钢结构的结构特点和激振形式,推导了模态参数识别公式;介绍了有限元模型动力修正的一阶搜索优化算法.利用近似平稳随机激励,对井架钢结构进行了现场模态试验,识别出前三阶固有频率和前二阶振型,分析了该结构的实际运行状况.仅依据前二阶固有频率,应用一阶搜索的优化算法,对动力有限元模型进行了修正,重分析表明:该修正模型实现了前三阶固有频率和应力特征的精确反演,能够用于进一步的静、动力分析和综合性能评价.     

基于局部模态的约束子结构模型修正法

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对应子结构部分的模态即可以修正子结构模型.由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态;结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型.通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果.     

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

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.     

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.     

基于摄动法的不确定性有限元模型修正方法研究

开展了考虑不确定性的有限元模型修正方法的研究。基于摄动法推导了待修正参数均值和协方差矩阵的迭代格式,其中协方差的迭代格式包括是否考虑试验数据与修正参数之间相关性的两种形式。在理论研究基础上开展数值仿真研究,实现了不确定性有限元模型修正的摄动法,并研究了试验数据样本数量对修正误差的影响。仿真结果表明,该方法适用于解决系统参数与试验数据存在不确定性的模型修正问题,试验样本数量对待修正参数标准差的修正精度影响较大;忽略试验模态参数与待修正参数不确定性之间的相关性,能够避免计算二阶灵敏度矩阵,在保证修正结果准确性的前提下减少计算量。     

利用Kriging方法进行结构模型修改

结构模型修改已经演化为一个多学科的研究课题，本文将该问题处理为确定从模态参数到模型参数之间的映射问题，并利用起源于地质统计学的Kriging技术实现该映射。对于一实际钢结构，通过实验测量得到了全部摸态数据，利用部分测量得到的模态数据进行了模型修改的实验研究，实验结果表明，利用修改后模型计算得到的全部摸态数据与测量结果吻合良好，表明该模型修改方法是可行的；同时该方法表现出了与基于神经网络的修改方法的互补特性。     

Research on the iterative method for model updating based on the frequency response function

Model reduction technique is usually employed in model updating process.In this paper,a new model updating method named as cross-model cross-frequency response function(CMCF) method is proposed and a new iterative method associating the model updating method with the model reduction technique is investigated.The new model updating method utilizes the frequency response function to avoid the modal analysis process and it does not need to pair or scale the measured and the analytical frequency response function,which could greatly increase the number of the equations and the updating parameters.Based on the traditional iterative method,a correction term related to the errors resulting from the replacement of the reduction matrix of the experimental model with that of the finite element model is added in the new iterative method.Comparisons between the traditional iterative method and the proposed iterative method are shown by model updating examples of solar panels,and both of these two iterative methods combine the CMCF method and the succession-level approximate reduction technique.Results show the effectiveness of the CMCF method and the proposed iterative method.     

基于SGMD及LWOA-ELM的有限元模型修正

为得到待修正参数与结构响应之间的关系,提高模型修正的效率和精度,提出了一种基于辛几何模态分解(SGMD)和Lévy飞行鲸鱼优化算法(LWOA)优化极限学习机(ELM)的有限元模型修正(FEMU)方法。首先,对加速度频响函数(AFRF)进行SGMD分解,采用能量熵增量法确定重组辛几何分量(SGC)构成SGC矩阵。然后,利用LWOA对ELM的权值和阈值进行优化,提高ELM模型的预测效率,以LWOA-ELM为代理模型映射出待修正参数与SGC矩阵之间的关系。最后,以试验频响函数SGC矩阵与LWOA-ELM模型输出所得矩阵差值的F-范数最小为目标函数,结合LWOA求解待修正参数。算例分析表明,提出的方法用于有限元模型修正有较好的可行性和有效性。以SGC矩阵表征AFRF的修正方法,有较好的噪声鲁棒性;LWOA-ELM作为代理模型预测精度高,泛化能力强。     

基于POD-RBF代理模型的迭代更新反演方法

针对常规的水工大坝等大型工程结构参数反演需要耗费大量有限元正分析机时的问题,建立了具有较好反演精度和泛化性能的POD-RBF代理模型和快速迭代更新反演算法。基于有限元分析获得足量数据样本,利用POD提取本征向量,并使用RBF方法进行插值得到有限元模型的代理模型;同时结合粒子群算法的全局寻优能力和高斯-牛顿法的快速局部收敛优势,建立了一种新的高效率迭代反演方法,并应用于混凝土大坝分区弹性模量反演。结果表明,该方法适用于大坝等大体积混凝土结构的力学参数反演。同时,相较于传统的单一反演方法,该方法在反演效率和反演精度两方面均显示出优势。     

摄动有限元法在结构动力模型修改中的应用

本文将摄动理论与有限元法相结合,提出了用于小变参数结构分析的摄动有限元法(P-FEM),导出了在结构参数发生小变化的情况下,结构摄动单元矩阵的一般公式及结构的动特性随结构参数变化的二阶渐近展开式,并将这一结果运用于结构的动力模型修改中,提出了一种新的适合于工程应用的结构动力模型修改方法,把这一方法应用于实际的复杂结构动力模型修改中,获得了十分满意的结果.     

Constrained Substructure Model Updating Method Based on Local Mode

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对 应子结构部分的模态即可以修正子结构模型. 由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态; 结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩 阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构 中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根 据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型. 通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或 10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果. 关键词 模型修正,柔度矩阵,约束子结构,灵敏度,修正单元力