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基于静力响应的结构有限元分析计算方法

发布于:2016-03-27 22:05
有限元分析

      建立一个满足工程精度要求、反映结构力学特性的有限元分析模型是进行桥梁结构分析和评价的基础环节。结构有限元分析模型通常根据设计图和标准规范构造,隐含有理想化假定或简化,与结构实际的状况存在差异。结构有限元分析模型计算的结构响应与实测响应之间不可避免地存在一定偏差。利用结构现场实测的响应信息修正其结构有限元分析模型(参数),使得修正后结构有限元模型计算的响应值与试验值趋于一致,此过程即为结构有限元模型修正。经过模型修正、符合实测响应的结构有限元模型是桥梁损伤识别、健康监测、结构性能评价和验证结构设计的基础。
      依据试验加载方式和已知响应信息类型的不同,结构有限元模型修正分为基于动力(利用频率、振型等信息)和基于静力(利用位移、应变和曲率等信息)的方法。基于动力的结构有限元模型修正是以往研究的热点,而基于静力的结构有限元模型修正研究的还不多。结构静力响应测试及其分析成果由于具有较高的精度和稳定性,易于为实际工程师所接受,其工程实际应用前景受到越来越多的关注,直接建立在结构有限元模型基础上的修正方法存在结构灵敏度计算精度不易控制、有限元计算迭代次数多和不易于在通用有限元App平台上进行二次开发等不足。采用响应面方法将结构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,在此响应面模型基础上的结构有限元模型修正可以克服上述模型修正的缺点和不足。响应面方法(response surface method,RSM)是试验设计与数理统计相结合的方法,最早应用在化学、农业、航空航天、机械等实验领域,逐步应用于土木工程(结构可靠度分析)领域。郭勤涛等利用结构动力测试结果,对基于响应面方法的结构动力有限元模型修正进行了分析研究。
      本研究利用结构静力测试响应,采用响应面方法对结构静力有限元模型修正进行了分析和研究,结合一片连续梁结构模型修正数值算例,阐述了该方法应用的一般过程。
      结构响应面模型本质上和其它黑箱模型、替代模型或缩阶模型一样,是结构Meta-model的一种,它大多采用多项式方程的形式,而其它Meta-model则往往采用正弦曲线、神经网络或一组微分方程等形式。响应面模型是由桥梁结构有限元分析拟合得到的、能够提供输入(结构参数)和输出(结构荷载试验响应)近似关系的、相对简单的数学关系式。桥梁实际(物理)结构和有限元模型、Meta-model响应面模型之间的关系如图所示。
      基于静力响应面的结构有限元模型修正方法是:在结构参数合理范围内,选取一些适当(依据试验设计)的结构参数值,利用结构有限元计算的响应值,以显式响应面函数(模型)拟合结构静力响应值与结构参数间复杂的隐式关系,得到简化的结构静力响应面模型(函数),在其基础上根据结构实测静力响应值进行迭代修正。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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