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。     

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.     

中承式钢管混凝土拱桥自振特性分析

本文基于某5跨连续中承式钢管混凝土拱桥,借助有限元软件MIDAS,建立了该桥的空间有限元分析模型.对其振型特征进行了分析,求出了自振频率、振型等动力参数.并通过变换拱桥的主要结构参数分析了它们对自振特性的影响.计算结果为连续中承式钢管混凝土拱桥的抗震设计提供了参考.     

基于全量补偿算法的结构损伤识别

频率和振型是反应结构动力特性的主要模态参数,文中对损伤结构的频率和振型进行了研究。通过实测损伤结构的频率和振型,利用矩阵理论修正理论有限元模型,使之与实测损伤结构的频率和振型一致;将修正的理论有限元模型表达成单元刚度矩阵与损伤因子的线性组合,把损伤识别问题转化为组合系数的识别问题。给定损伤因子的合理取值范围,用优化方法求解损伤因子。通过对十跨桁架结构的数值仿真,仅用结构的前5阶频率和振型就能很好的识别结构的损伤,且该方法不需要对实测振型进行归一化处理,具有较强的实用性。     

某发动机缸盖的动力学仿真研究

对某发动机缸盖进行了动力学仿真研究．在缸盖有限元模型的基础上施加了模拟实际工作状态的边界约束和载荷条件，利用振型叠加法对其进行动态响应分析，并与设计指标对比．采用了灵敏度分析方法，对原缸盖结构参数进行了动力修改．计算出缸盖的动态特性参数随设计变量的变化灵敏度，选择对动态特性影响较大的设计参数作为修改参数．修改后的缸盖动态响应结果能够满足给定的设计指标．结构达到了最优设计，为整个发动机的动力学仿真研究奠定了基础．     

基于特征的缸盖参数化建模及应用

目的　建立某柴油机缸盖的参数化实体模型, 并对其进行有限元动力学分析． 方法　利用特征技术建立缸盖的参数化模型, 最后用有限元模态分析法进行其模态参数的计算． 结果　实现了基于特征的缸盖参数化建模, 计算出前四阶固有频率及主振型． 结论　体现了基于特征的参数化建模在复杂结构的动力分析中的优越性, 为整机的动力学仿真研究奠定了基础     

结构有限元动态模型修正研究

根据结构的模态参数来修正结构的有限元模型是进行结构设计的重要手段，首先提出了用于复模态结构修正的阻尼模型和阻尼误差模型。进而结合复振型正交条件给出了修正模型及计算方法，并结合算例进行了验证。最后总结了这一方法的优点。     

简化的舱段船壳模型试验模态分析

工厂加工的试验模型与设计模型有时存在一定的差异，致使试验模型的动态特性与设计模型的动态特性不一致，本文中用于振动主动控制实验研究的舱段船壳模型就属于这种情况。而舱段船壳模型的动态特性对于其振动主动控制研究是很重要的、应用锤击激励法和LMS，CADA—X结构动态测试与分析软件对简化的舱段船壳模型上部平板进行模态试验，得到了前六阶固有频率、阻尼和振型，经模态置信准则检验，所测试验模态参数真实有效．将试验模态参数与有限元计算模态参数比较分析，找出了试验模型的加工缺陷，即船壳模型上部平板存在初挠度，致使试验模态与有限元计算模态的某些阶模态参数存在很大差别。     

基于三参数可靠性分析模型的随机有限元法

以三参数可靠性分析模型为基础，建立了一种新的随机有限元模型并导出了全部方程．这一模型全面考虑了载荷、材料性能参数、几何形状等随机因素对结构可靠性的影响。最后以一悬臂梁的可靠度计算为例进行了说明，并与ｏｎｔｅＣａｒｌｏ有限元法以及常规的二参数可靠性分析模型进行了对比。     

振型叠加法的修正计算

在结构动力分析中，常采用振型叠加法，当略去高阶振型的影响或当自由度与质量不对应时造成一定的误差，对此，本文讨论一种修正的方法。     

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

     

Finite element model updating for large span spatial steel structure considering uncertainties

In order to establish the baseline finite element model for structural health monitoring, a new method of model updating was proposed after analyzing the uncertainties of measured data and the error of finite element model. In the new method, the finite element model was replaced by the multi-output support vector regression machine (MSVR). The interval variables of the measured frequency were sampled by Latin hypercube sampling method. The samples of frequency were regarded as the inputs of the trained MSVR. The outputs of MSVR were the target values of design parameters. The steel structure of National Aquatic Center for Beijing Olympic Games was introduced as a case for finite element model updating. The results show that the proposed method can avoid solving the problem of complicated calculation. Both the estimated values and associated uncertainties of the structure parameters can be obtained by the method. The static and dynamic characteristics of the updated finite element model are in good agreement with the measured data.     

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.     

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.     

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。     

悬臂结构地震响应分析的广义单自由度模型研究

针对有限元方法存在计算时间过长的缺点,不适用于需要多次响应分析的结构抗震性能评估问题。进行了悬臂结构线性地震响应分析的广义单自由度模型研究,提出了多项式形函数和基于多项式形函数的单自由度模型,并通过与有限元分析结果的对比分析,调查了基于多项式形函数的单自由度模型对典型地震波激励下结构响应分析的有效性。结果表明：提出的基于多项式形函数的广义单自由度模型平均误差为7.20%,为提高建模准确性,建议采用水平集中荷载施加方法进行多项式形函数参数估计。     

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.     

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。     

在三维结构分析问题中合适的离散-连续有限元法（续）

对结构分析中的离散-连续有限元法（DCFEM）进行了研究。给出了该方法的运算及变分公式。对于在一个方向物理及几何参数为常量的结构,其离散-连续设计模型是建立在所谓的离散-连续有限元的基础上的。研究了单元坐标的建立、结点未知量的近似表达及单元结点荷载矢量的建立问题。单元的微分方程组是借助于离散-连续有限元特殊广义的块结构刚度矩阵来建立的。建立了局部坐标中的微分关系,形成了常微分方程组多点边值问题的提法,也给出了结构分析中多点边值问题的解析方法。这一方法的主要特点包括其普适性、算法的计算机适应性、计算的稳定性、最终方程组的条件优化特性、系数矩阵的部分Jordan分解特性、计算根矢量必要性的解除。给出了在离散-连续有限元法框架内具有单向约束的结构分析中特殊的迭代法。