基于统计分析技术的有限元模型修正研究

采用统计学的方差分析和回归分析技术研究模型修正的有关问题,主要包括基于方差分析的参数筛选、基于回归分析的响应面拟合和利用响应面进行模型修正三个方面。目前工程上采用的基于灵敏度分析的参数挑选方法根据参数在某设计点处的灵敏度进行挑选,而基于方差分析的参数筛选是从全局的角度,在整个设计空间上挑选对特征量有显著影响的设计参数。基于响应面的修正方法,首先在参数的整个设计空间范围内利用回归分析技术,以显式的响应面模型逼近特征量与设计参数间复杂的隐式函数关系,然后在其基础上进行迭代修正。提出的方法不但可以应用于线性、低频等现有的模型修正方法适用的范围,而且易于推广到非线性、冲击等现有修正方法较少涉及的领域。此外,现有的方法由于每次迭代都需要调用有限元分析软件进行计算,在缺少软件接口的情况下,较难实现工程应用。这种方法只在准备样本数据时需要进行有限元分析,修正过程中无需调用,因而利于工程应用。GARTEUR飞机模型有限元模型的修正结果验证了方法的有效性     

基于响应面方法的支架结构模型修正研究

为减小有限元建模中不可避免的误差,以支架结构模型为研究对象,选取结构不同部件的三个弹性模量和三个密度参数作为设计变量。根据中心复合设计,建立试验样本空间,利用样本参数的显著性分析结果筛选修正参数。结合线性回归方法,建立支架模态频率与修正参数的二阶多项式。以试验模态分析结果为依据,完成支架结构模型修正。响应面方法修正后的模态频率与试验模态频率具有一致性,且避免重复调用有限元模型,大大提高修正效率,具有修正响应快速性和工程实用性。     

基于响应面的刚构-连续组合梁桥有限元模型修正

首先对响应面法在有限元模型修正中应用的主要问题,包括实验设计、参数筛选、响应面拟合及参数优化等进行了讨论,进而基于现场动力试验数据对一刚构-连续组合梁桥#x02014;靖远黄河大桥的有限元模型进行了修正。选取箱梁和桥墩的弹性模量以及连续墩顶支座及边跨联端支座的横向和竖向刚度为修正参数,采用中心复合设计法进行实验设计、计算样本值,分别构造两个响应面模型,其中一个考虑交互项的影响、一个不考虑交互项的影响,然后以这两个响应面模型代替初始有限元模型分别进行修正。修正结果表明,考虑和不考虑交互项的影响对修正后部分参数的取值有一定的影响,而对频率的修正精度影响不大。两种模型修正后的频率取值均与实测频率较吻合,修正后的模型能准确地反映桥梁的动力特性,可作为后续损伤识别及状态评估的基准模型。     

基于响应面法的结构动力学模型修正

为了获得精确的结构动力学模型,提出了响应面和优化相结合的方法。利用参数化模型和优化拉丁方试验设计获取样本点构造多项式响应面模型,最小二乘法确定多项式系数并检验响应面的拟合精度。用响应面计算结果与实验结果的误差构造目标函数,自适应模拟退火算法来优化修正响应面参数,将修正后的参数值带入有限元模型得到修正模型。以欧洲航空科技组织的基准模型GARTEUR飞机模型为算例,对比修正前后模态频率,结果表明修正后的模型在测试频段和预测频段具有良好的复现和预测能力,进而验证了基于响应面法与优化方法相结合的结构动力学有限元模型修正的有效性。     

基于模态试验的对接圆柱壳结构有限元模型修正EI北大核心CSCD

壳体组合结构广泛应用于船舶、土木和航空航天等工程领域。为获得精确的对接圆柱壳结构动力学模型,采用基于数学模型的响应面法对有限元模型多个参数进行优化,实现有限元模型修正。通过模态试验获得对接圆柱壳结构的试验模态参数,采用模态置信度检验模态试验结果。利用ANSYS有限元软件对结构进行有限元模态分析,提取整体模态。通过中心复合设计方法获取样本点构造多项式响应面模型,采用决定系数和均方根误差检验响应面的拟合精度。响应面模型计算结果与试验结果的误差构造目标函数,多目标遗传算法用于优化响应面参数,最终将修正后的参数代入有限元模型得到修正模型。对比修正前后的模态频率,结果表明修正后得到的有限元模态频率与实测模态频率间相对误差明显减小,进而验证了基于响应面方法在对接圆柱壳有限元模型修正中的有效性。     

塔式起重机结构有限元模型修正的响应面方法

为提高塔式起重机(塔机)的修正效率,提出了一种基于响应面的有限元模型修正方法。在合理的修正参数选取和试验设计基础上,拟合得到结构响应与修正参数之间的显式函数关系以替代传统的有限元模型,通过迭代优化实现机械结构的有限元模型修正。以悬臂梁及塔机为例,实现了基于响应面法的有限元模型修正,并对比了不同响应面模型的拟合精度和修正效果。分析结果表明,利用响应面模型替代复杂的塔机有限元模型进行结构有限元模型修正可以极大地提高计算效率和修正精度。同时,对于塔机结构,基于二次多项式响应面的模型修正相较于基于高斯径向基函数响应面的模型修正能获得更好的修正结果和修正效率。     

基于贝叶斯法的复杂有限元模型修正研究

从概率思维角度出发,证明基于最大熵原理的贝叶斯反分析准则函数法和解不适定问题的正则化方法是一致的,提出一种基于信息融合和贝叶斯理论的模型修正方法。该方法采用试验设计构造样本,采用二次响应面作为快速运行模型,通过响应面自身的特性和精度要求进行收敛判断,在响应面迭代中确定信息融合系数（设计规范、有限元计算信息、实测信息）和待修正的设计参数值。该方法充分利用先验信息,迭代计算量较小,可推广至大型复杂非线性结构。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     

基于响应面法的印制电路板组件有限元模型修正

在将印制电路板及元器件材料视为正交各向异性前提下,提出基于响应面法的印制电路板组件(Printed Circuit Board Assembly,PCBA)有限元模型修正法。利用相关性分析筛选出对PCBA模态频率影响较大参数作为修正参数;据修正参数数目选择合适的试验设计获取样本点,构造多项式响应面模型;通过最小二乘法确定多项式系数并检验响应面拟合精度;用响应面计算结果与模态试验结果误差绝对值构造目标函数;通过多目标遗传算法(MOGA)迭代计算获得优化修正参数并代入有限元模型获得修正模型。以某航空电子产品某PCBA为案例,对比修正前后各阶模态频率与试验值误差。结果表明,修正后模型各阶模态频率与试验值相对误差均明显减小,验证该方法对PCBA模型修正的有效性。     

基于响应面法的刀口金属密封结构优化设计

以有限元数值模拟为手段,通过一阶响应面建模,确定了满足密封判据的刀口金属密封结构设计参数的范围。采用均匀设计,建立了以设计参数为变量,以有效密封面宽、最大接触应力为响应的二阶响应面模型,并利用多目标优化方法和遗传算法,对响应面模型进行了优化求解,得到了优化的设计参数组合。有限元验证结果显示,优化后的密封结构具有更好的密封性能。     

基于多输出支持向量回归机的有限元模型修正

为了克服神经网络以及单输出支持向量回归算法在有限元模型修正中的不足,提出了基于多输出支持向量回归算法的有限元模型修正方法。根据5-折交叉验证法选择支持向量回归机的参数,用均匀试验设计法构造样本,联合结构的动力和静力响应数据作为输入,多个设计参数作为输出,以支持向量回归机逼近输入输出二者之间的非线性映射关系,然后利用支持向量回归机的泛化推广能力,求解设计参数的目标值。空间网格结构数值模型的分析结果表明,该方法能同时修正多个设计参数,在少量样本的情况下具有较高的修正精度,为有限元模型修正提供了一种新的探索。     

利用矩点估计法简化响应面可靠度指标的计算

针对响应面可靠度指标计算方法的缺陷,将罗森布鲁斯统计矩点估计法引入到经典响应面方法中对其进行改进。改进后响应面方法,考虑基本随机变量偏态情况,改变了模拟试验中随机变量抽样值的计算方法;直接采用了统计矩计算可靠度指标,使可靠度指标的计算在真实极限状态曲面的某些特殊点上进行;在计算过程中不需拟合近似极限状态曲面和对非线性方程进行线性化处理,不产生迭代误差和累积误差,计算过程简洁明了。最后分别利用改进的响应面方法和经典响应面方法分析了某一矿山大型工程的稳定可靠性,并以蒙特卡洛法计算结果作为准精确解进行了比较,计算结果满足工程要求。     

结构有限元模型修正的自适应响应面方法

针对结构有限元模型修正可能陷入局部最优点的问题,提出了基于具有全局收敛特性的自适应响应面的结构有限元模型修正方法,模型修正过程中在全局最优解附近不断收缩参数设计空间,重构更为精确的响应面模型,同时,由于采用了拉丁超立方设计选择样本点,具有一定的遗传性,在使用过程中可以有效减少样本点总数。通过实例计算表明,传统的有限元模型修正方法很可能陷于局部最优,而利用该方法进行有限元模型修正时,可以有效避免陷入局部最优点,只需较少样本点便可收敛于全局最优解,有效的进行有限元模型修正。     

两种不同优化方法对静电液滴法制备单分散海藻酸钙微球工艺的比较

采用星点设计-效应面法和正交设计两种实验设计方法优化高压静电液滴发生技术制备海藻酸钙微球的工艺,以电压、浓度、距离为自变量,海藻酸钙微球的平均粒径为因变量,对自变量各水平进行多元线性回归和二项式拟合,选取最佳工艺条件制备微球。通过两种方法的对比研究,星点-效应面法在优化静电液滴法制备海藻酸钙微球工艺上的可预测性更强,结果更精确,信息获取量更多,效果更佳。     

一种改进的利用频响函数进行有限元模型修正的方法

在对机械结构的动态特性进行准确而可靠的预测时，有限元模型的设计参数的修正是很重要的。利用试验测试和预测的有限元模型计算得到的频响函数（FRF），在结构动力缩聚技术的基础上，推导出了一种改进的基于频响函数的灵敏度分析的修正方程。数值实例研究结果表明该方法利用不完备的测量数据，也可在很宽的频率范围内，同时对多个参数进行修正，有限元模型修正解与真实结构参数完全吻合。本文的方法可适用于大型复杂结构的模型修正。     

响应表面法在结构噪声优化中的应用研究

针对结构噪声有限元直接优化的非线性和复杂性,利用传统的声固耦合有限元法,结合响应表面法计算结构噪声值,以结构参数为设计变量,建立设计变量与结构噪声值的映射模型,避免了有限元灵敏度分析,提高了优化速度。以封闭箱体的结构噪声优化为例,验证了该方法的有效性。     

基于改进偏最小二乘的CMM动态误差混合建模分析

三坐标测量机(CMM)动态误差源错综复杂,并且相互影响,因此很难建立一个通过误差源分析误差的准确预测模型.本文以空间测量位置的三维坐标值和测量机测量时的计算机直接控制(DCC)参数,包括移动速度、逼近距离和触测速度作为CMM动态测量误差模型的原始自变量,并通过3B样条变换获得各原始自变量与动态测量误差的非线性关系函数,再利用正交投影法把解释矩阵中与因变量无关的成分扣除掉,得到新的解释矩阵后再用偏最小二乘(PLS)回归进行降维和参数估计,从而得到CMM动态测量误差模型,即基于3B样条-正交投影偏最小二乘(3BS-OPPLS)模型.这样既避免了分析错综复杂的误差源及其相互影响,又能够捕捉各自变量对动态测量误差的非线性影响,并能克服因解释变量过多而产生的多重共线性问题.实验结果表明建立的3BS-OPPLS模型的预测效果优于未经正交投影的3B样条-偏最小二乘(3BS-PLS)模型,模型的预测精度得到显著提高.     

响应面法优化白墨在镭射卡纸上的附着力性能

目的为了优化UV白墨在烟包用镭射卡纸上的附着力,运用响应面实验设计方法对印刷工艺进行优化。方法以在曼罗兰印刷机上生产红双喜烟标为例,以UV灯功率、印刷车速为自变量,以白墨在镭射卡纸上的附着力为因变量,利用Design Expert软件,设计响应面图表,对2个自变量进行多次拟合,建立相应的三维曲面,得到最优的数学模型,最后得到最优的印刷工艺,并加以实验验证。结果当UV灯功率密度为120 W/cm,印刷机的印刷速度为8580张/h,能够使得白墨在镭射卡纸上有最优的附着力。结论把响应面实验设计方法来优化烟包印刷工艺,在减少实验次数的同时,对白墨在镭射卡纸上的附着力具有较好的预测效果。     

基于支持向量机的小样本响应曲面法研究

当影响因素和响应输出的关系较为复杂时,应用传统响应曲面法(RSM)、非参数响应曲面法(NPRSM)和人工神经网络(ANN)难以拟合真实的响应曲面,不仅需要大的样本量,而且泛化风险大,不易达到全局最优.将RSM归结为可有限制地主动获取样本的小样本机器学习问题,提出了一种基于支持向量机(SVM)的RSM.以大间隔网格取样,利用SVM拟合过程,对拟合方程寻优确定极值大致区域,再逐步缩小间隔求精.算例研究表明,该方法的拟合与泛化性能优于NPRSM和基于ANN的RSM,能在小样本条件下建立全局性数值模型,寻优可以得到多个极值.     

基于GMPSO的有限元模型修正方法验证

为提高有限元模型修正方法效率,保证修正精度,提出基于高斯白噪声扰动的粒子群优化（GMPSO）有限元模型修正方法。介绍标准粒子群优化（PSO）方法和改进后的GMPSO方法,基于测试函数比对两种方法的全局寻优能力和寻优效率;提出高效的基于GMPSO有限元模型修正方法,阐述方法流程并明确各参数与实际物理量的对应关系;基于GMPSO有限元模型修正方法对高维有损伤简支梁模型（变量维度为10）实施修正,并与基于遗传算法（GA）的模型修正结果进行比对;基于GMPSO有限元模型修正方法对某在役桥梁结构实施修正（变量维度为13）,验证所提方法可行性。结果表明:经局部改进的GMPSO方法较原PSO方法的优化能力显著提升;高维损伤简支梁模型修正结果显示,基于GMPSO模型修正方法可获得较好的修正结果,修正效率较基于GA的模型修正方法有显著提升;在役桥梁结构有限元模型修正结果显示,基于GMPSO模型修正方法可有效降低主梁计算频率和试验频率的误差,所提方法可适用于较工程复杂结构模型修正问题。