Structural finite element model updating using incomplete ambient vibration modal data

This paper presents an effective approach for updating finite element dynamic model from incomplete modal data identified from ambient vibration measurements. The proposed method is based on the relationship between the perturbation of structural parameters such as stiffness and mass changes and the modal data measurements of the tested structure such as measured mode shape readings. Structural updating parameters including both stiffness and mass parameters are employed to represent the differences in structural parameters between the finite element model and the associated tested structure. These updating parameters are then evaluated by an iterative solution procedure, giving optimised solutions in the least squares sense without requiring an optimisation technique. In order to reduce the influence of modal measurement uncertainty, the truncated singular value decomposition regularization method incorporating the quasi-optimality criterion is employed to produce reliable solutions for the structural updating parameters. Finally, the numerical investigations of a space frame structure and the practical applications to the Canton Tower benchmark problem demonstrate that the proposed method can correctly update the given finite element model using the incomplete modal data identified from the recorded ambient vibration measurements.     

结合同伦代理模型的静力贝叶斯随机模型修正

为了使用随机静力位移测量数据对结构有限元模型进行修正,并保证计算效率,提出了一种同伦代理模型与贝叶斯抽样方法结合的随机模型修正方法。首先以结构静力位移构建目标函数,然后采用延缓拒绝自适应抽样算法对修正参数的后验概率密度进行估计。抽样过程中,采用同伦代理模型替代有限元模型对结构静力位移进行计算。数值算例和试验结果表明：进行变截面梁的有限元模型修正时,与二次响应面模型相比,在静力贝叶斯模型方法中利用同伦代理模型,修正参数的后验概率密度能更准确地复现结构随机响应,使修正后的结构随机响应与测量结果概率密度函数更加吻合。即使在随机测量误差的变异系数较大、先验信息与真实修正参数之间差异较大时,所提方法仍能够快速得到修正参数的后验概率密度,使修正参数计算的结构随机位移响应与测量结果的概率密度函数保持一致。同伦代理模型结合贝叶斯抽样算法能在概率框架内快速而准确地对结构进行随机模型修正。     

考虑加速度频响函数不确定的有限元模型修正

为克服实际应用中缺乏足够的结构统计信息,获得结构参数和响应的极限值,提出了一种基于加速度频响函数的区间有限元模型修正方法。首先,将频响函数小波变换,提取低频小波系数作为模型修正的响应特征量,以待修正参数和响应特征量分别为输入和输出构建径向基代理模型并采用鲸鱼优化算法来优选径向基模型方差值;其次,根据区间重叠率和巴氏距离分别构造两步求解待修正参数区间的两个目标函数和同步求解待修正参数区间的一个目标函数,以评估两个样本区间分布的相似性和相异性;然后,由灰色数学方法估计径向基模型预测响应特征量的区间,运用花朵授粉算法分别实施待修正参数区间中点和半径的两步和同步求解;最后,通过两个数值算例和一个试验算例验证了所提方法的可行性。结果表明,所提区间有限元模型修正方法能够有效地修正结构参数的区间中点和半径,且在不同试验响应区间下对参数区间的修正具有鲁棒性,同时可以有效地解决小样本的不确定性模型修正问题。     

Finite element model updating of existing steel bridge based on structural health monitoring

Based on the physical meaning of sensitivity,a new finite element（FE） model updating method was proposed. In this method,a three-dimensional FE model of the Nanjing Yangtze River Bridge（NYRB） with ANSYS program was established and updated by modifying some design parameters. To further validate the updated FE model,the analytical stress—time histories responses of main members induced by a moving train were compared with the measured ones. The results show that the relative error of maximum stress is 2.49% and the minimum relative coefficient of analytical stress—time histories responses is 0.793. The updated model has a good agreement between the calculated data and the tested data,and provides a current baseline FE model for long-term health monitoring and condition assessment of the NYRB. At the same time,the model is validated by stress—time histories responses to be feasible and practical for railway steel bridge model updating.     

基于贝叶斯方法的实时洪水校正模型

简述了实时洪水校正方法的研究进展,提出并建立了基于贝叶斯方法的实时洪水校正模型. 该模型用先验分布考虑水文资料的不确定性,用似然函数描述模型结构和参数的不确定性,将两者综合得到预报流量的后验分布. 选用江西省白云山水库的雨洪资料对模型进行探讨与检验,采用可变遗忘因子最小二乘递推算法估计先验分布和似然函数的参数,以后验分布密度函数的均值作为结果发布. 结果表明该法不仅可显著的提高洪水预报精度,还给出预报区间估计值,实现了预报与决策的有机耦合.     

基于优化设计理论的桥梁有限元模型修正

为改善桥梁有限元建模的精度,降低理论模型计算结果与实验结果之间的误差,采用模型修正技术对建立的初始有限元模型进行修正.利用桥梁模态参数识别结果,以频率残差和实测自由度上振型分量残差加权和最小为优化计算目标,无须振型扩阶,避免了由此引入误差的影响.依据工程经验对修正参数和频率变动施以约束条件,将有限元模型修正问题归结到约束优化问题.问题的求解采用基于梯度下降的优化迭代算法.仿真结果表明,经过修正后的有限元计算模型计算结果与实验结果非常接近.可以应用于动力实验模型修正.     

利用附加质量的设计参数型模型修正方法

针对利用附加质量的模型修正方法存在未知修正变量数目过多,修正方程欠定,修改精度无法满足工程应用要求的问题,提出了一种设计参数型修正方法来提高原始方法的修正精度.该方法利用泰勒展开公式,导出质量矩阵和刚度矩阵对设计参数的灵敏度影响矩阵,进而建立以设计参数偏差量为未知数的修正方程.分别用一个长直机翼模型和一个阶梯变截面梁模型为例,进行了该修正算法的验证.两个算例初始引入的局部刚度建模误差为30%～50%,修正后模型的计算误差都小于1%.研究结果表明,本文提出的修正方法大大减少了待求解的未知变量数目,降低了对测试模态数目的要求,提高了算法的修正精度,同时使得修正结果的物理指示意义也更加明确.     

环境激励下大跨度连续刚构桥动力分析模型修正

为了快速准确地对黄河某特大桥进行损伤识别,采用了一种环境激励状况下,基于优化理论的有限元模型修正方法.首先通过振动测试,利用环境激励下的功率谱峰值法,获得模态参数.使用ANSYS建立桥梁的参数化有限元模型,选取灵敏度高的刚度参数,根据最优化理论进行迭代修正,最终得到了黄河某特大桥有限元修正模型.通过对有限元模型进行动力特性分析,结果表明:修正后模型的模态特征值与实测值吻合度更好,前20阶主要振型的频率误差基本在2%以下,精度较高;修正后,桥梁混凝土整体弹性模量确定在每平方毫米340 000～370 000N之间,箱梁刚度分布基本符合现场的表观损伤调查结果.在正常通车情况下即可检测桥梁,无需交通管制,相对传统的人工激励方式,不会对桥梁构成额外伤害;利用现有的有限元软件ANSYS,不用计算繁琐的质量、刚度矩阵即可进行损伤识别,适合于大跨度连续刚构桥损伤识别的应用.     

结构有限元模型部分设计参数型修正方法

讨论了结构有限元分析模型部分设计参数型的修正方法，提出了一种利用非完备实测模态参数修正有限元分析模型的迭代修正方法，即振型自由度的扩充在每次迭代中进行，有效地改善了因振型自由度扩充引起的误差，被修正的参数为结构设计参数，所获模型的物理意义十分明确，并与动态设计相适应．实例表明，该方法修正效果良好．     

装载机工作装置动态载荷测试方法与试验研究

为获得装载机铲装作业过程中工作装置各铰接点处的动态载荷时间历程,基于达朗贝尔原理建立了动平衡状态下工作装置的受力模型,提出一种考虑构件重力和惯性力的动态载荷测试方法.构建铰点力、油缸压力、油缸位移和动臂应变等多参数同步采集系统,进行散状物料铲装试验,获得了求解受力模型的基础数据.建立动臂有限元仿真分析模型,对比分析测点应力实测值和仿真值.结果表明:提出的测试方法获得的结构应力值能够准确地反映工作装置在铲掘作业过程中的应力分布规律,仿真值与实测值的变化趋势一致,验证了数学模型和测试方法的合理性.     

基于有限元算法及仿生电路的心血循环模型

为了模拟缺血梗塞心脏局部受力形变对心血循环系统的实时作用,结合血液循环电路模拟系统,建立缺血变异性心脏和血液循环一体化模型,通过参数传递,仿真二者的交互作用。采用非线性有限元算法模拟左心室各向异性心肌材料特性,对心肌纤维组织微结构进行分层仿真设计,构造缺血性病理变异左心室复合模型。该模型创新性地在心血循环一体化仿真系统中采用心室壁组织纤维微结构模型,将心肌组织微结构特征的区域性变化反映到整体心血循环系统,算法高效实时,具有临床应用价值。该模型应用在缺血性心脏病理的研究中,其仿真结果与医学统计数据相吻合。     

Performance Comparison of Two Meta-Model for the Application to Finite Element Model Updating of Structures

To investigate the application of meta-model for finite element（ FE） model updating of structures,the performance of two popular meta-model,i. e.,Kriging model and response surface model（ RSM）,were compared in detail. Firstly,above two kinds of meta-model were introduced briefly. Secondly,some key issues of the application of meta-model to FE model updating of structures were proposed and discussed,and then some advices were presented in order to select a reasonable meta-model for the purpose of updating the FE model of structures. Finally,the procedure of FE model updating based on meta-model was implemented by updating the FE model of a truss bridge model with the measured modal parameters. The results showed that the Kriging model was more proper for FE model updating of complex structures.     

含多裂纹结构的断裂可靠性分析

基于随机有限元法和可靠性设计理论,建立了一种含多裂纹结构的断裂可靠性分析模型。首先,根据最小二乘法则建立应力强度因子的表达式,然后将影响结构断裂的不确定因素视为随机变量,通过一阶二次矩法和随机有限元法求出每条裂纹的可靠度指标,最后将含多裂纹结构看作一个由所有裂纹组成的串联系统,求出各裂纹之间的相关系数,并得出多裂纹结构失效概率的Ditlevsen界限值。数值算例表明,本方法具有较强的适用性。     

Finite Element Model Updating of Complicated Beam-Type Structures Based on Reduced Super Beam Model

基于超梁降阶模型的复杂梁式结构有限元模型修正

王文胜，魏豪杰，候中华，梅群，李一帆

（河南科技大学 工程力学系，河南 洛阳 471023）

摘要：

提出一种针对复杂梁式结构的有限元模型修正方法。首先采用建立在经典梁理论中的平面截面假设和位移插值函数的超梁降阶模型方法，将复杂的梁式结构简化为具有较少自由度的超梁降阶模型。在此基础上，模型修正过程中所需要的特征值求解和特征灵敏度分析是在降阶后的小规模矩阵上进行，与传统基于全结构的模型修正方法相比，大大减少计算量。采用优化技术实现结构模态特性差异的修正，从而获得结构参数的最优值。最后以复杂加筋圆柱壳模型和一实际导弹结构的模型修正为例，证明了基于超梁降阶模型的有限元模型修正方法的有效性和高效性。

关键词：超梁降阶模型方法，模型修正，复杂梁式结构，特征方程，特征灵敏度

     

结构模型修正中不同残差及权重系数研究

研究了基于改进遗传算法对结构模型修正中用于构建目标函数的不同残差的优缺点和单目标函数中的权重系数。目前工程实践中进行有限元模型修正较多地采用三种残差,包括频率、振型和柔度,本文分析了这三种残差用于模型修正的优缺点,采用改进的遗传算法、利用一个模拟刚度减少的简支梁的仿真模型,对基于不同残差的模型修正进行了比较研究。频率是系统的主要特征参数且识别精度高,修正应优先采用。当修正参数较多,需要补充信息且振型识别误差较小时,可考虑补充振型信息。最后通过对用于构建单目标函数的不同残差采用不同权重系数的比较分析,可以看出当频率残差采用较大权重时的模型修正效果较好。     

基于环境激励的桥梁结构动力测试及模型修正

桥梁结构的动力特性是结构动力计算和抗震分析的基础,也是桥梁健康状况监测的一个重要指标.首先根据设计图纸建立了312国道上的一座公跨铁立交桥的三维有限元模型,分析了桥梁的动力特性,同时通过环境振动测试获得了桥梁的实测动力特性,然后在灵敏度分析和优化理论的基础上,选取了一组设计参数,对桥梁的有限元模型进行了修正.修正结果表明该方法简单有效,修正后的有限元模型能够较好地反映桥梁的动力特性,可用于检测桥梁在复杂外力作用下的动力响应,能更好地为后期的损伤识别和健康评估服务.     

基于模型修改的结构损伤检测

提出一种基于模型修改的损伤检测理论方法。此方法是先对结构的有限元分析模型进行修正,然后运用此模型来模拟原始结构,损伤发生前后的模型计算模态模拟测试模态,最后运用最小二乘法确定损伤。     

An interval finite element method for electromagnetic problems with spatially uncertain parameters

During the manufacturing process of dielectric materials used in electromagnetic engineering, the electromagnetic parameters are often spatially uncertain due to the processing technology, environmental temperature, personal operations, etc. Traditionally,the random field model can be used to measure the spatial uncertainties, but its construction requires a large number of samples.On the contrary, the interval field model only needs the upper and lower bounds of the spatially uncertain parameters, which requires much less samples and furthermore is easy to understand and use for engineers. Therefore, in this paper, the interval field model is introduced to describe the spatial uncertainties of dielectric materials, and then an interval finite element method(IFEM) is proposed to calculate the upper and lower bounds of electromagnetic responses. Firstly, the interval field of the dielectric material is represented by the interval K-L expansion and inserted into the scalar Helmholtz wave equations, and thus the interval equilibrium equations are constructed according to the node-based finite element method. Secondly, a perturbation interval finite element method is developed for calculating the upper and lower bounds of electromagnetic responses such as the electric strength and magnetic strength. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by three numerical examples.     

大型风力发电机塔架结构的固有频率分析

应用Receptance法建立了一种预测大型风力发电机塔架结构固有频率的理论模型.为了验证理论模型的有效性,应用理论模型对风力发电机(750 kW)塔架结构的固有频率进行了计算,并将该结果与有限元分析和实测的结果进行了对比.结果显示3种方法获得的一阶固有频率十分接近,由此表明该理论模型具有良好的可靠性,可为预测大型风力发电机塔架的固有频率提供参考.