动力模型拟静力修正方法及误差分析

摘 要：为了降低动力模型修正过程中的计算复杂程度,提出了拟静力模型修正方法。借助特征载荷的概念,将基于动力测量信息的动力模型转化为静力模型进行修正,避免了模型修正过程中特征值和特征向量的计算。利用样条插值方法,解决了测量信息与计算信息间的匹配问题。采用复域灵敏度分析方法对修正过程中的参数灵敏度进行计算,提高了修正过程中的计算效率。研究了测量误差对修正结果的影响,给出了修正参数的统计特性,为评估修正结果的可靠性提供了基础。通过数值算例对提出的方法进行了验证,结果表明本文的方法是有效可靠的。利用建立的方法对润扬大桥北汊斜拉桥桥塔模型进行了修正,修正结果较为精确可靠。     

斜拉桥结构模型修正的子结构方法

针对大跨斜拉桥结构提出了一种子结构模型修正方法。根据斜拉桥结构体系特征,从空间上划分几个比较独立的子结构。对包括所有子结构特征信息和待修正参数的整体结构,进行特征信息对参数的灵敏度分析,验证各子结构之间的相对独立性,并确定子结构模型修正的顺序。基于各子结构的特征信息建立目标函数,采用遗传优化算法,依次对各子结构进行模型修正。以某大跨斜拉桥试验室物理模型为研究对象,对该方法进行了数值仿真和试验验证。基于仿真数据的子结构模型修正精准度高,基于实测数据的修正结果能得到与实际情况相符的合理解释。因此,该斜拉桥模型修正的子结构方法切实有效,且易于工程应用。     

大跨度高空钢结构连廊的有限元模型修正

使用基于灵敏度分析和贝叶斯估计的有限元模型修正方法对复杂连体高层建筑群杭州市民中心的高空钢结构连廊进行了有限元模型修正.通过频率误差和模态置信因子计算,比较分析了修正前连廊数值模型的模态参数和基于环境激励下实测得到的连廊模态参数,以确定数值模型动力特性与实际结构动力特性的差异.通过模态参数对连廊构件物理参数的敏感度分析构造灵敏度矩阵,并在此基础上筛选出对结构模态参数影响程度大的参数.基于贝叶斯估计法构造参数加权矩阵和响应加权矩阵,根据待修正参数初始设计值的置信度设置参数允许的上下边界值,按一定的收敛准则进行迭代修正.修正后连廊模型的动力特性与实测动力特性有很好的一致性,修正模型可以用来对连廊进行振动控制、响应预测及性态评估.     

基于可测点信息的模型参数修正方法

研究了基于灵敏度计算直接法的有限元模型修正方法，在模型缩聚中采用迭代降阶（IOR）技术，以使缩聚模型的特征对与原分析模型保留自由度的对应模态及频率完全一致，在模型修正过程中，得到收敛于可测点信息的参数修正量。仿真算例表明，所提出的基于IOR技术的模型修正方法有效可行。     

基于响应面的大型输电塔结构有限元模型动力修正

针对基于灵敏度分析的有限元模型动力修正方法计算效率较低、迭代收敛慢的不足,将响应面法引入500 kV大跨越输电塔基准模型修正.选择塔脚弹性支承刚度为修正参数,依次进行单因素试验、样本值计算、响应面建立与分析、参数优化.修正后,有限元模型非常准确地复现了单塔横、纵两个方向的-阶弯曲动态特性,修正效果与基于灵敏度分析的模型修正方法接近,证明响应面法在有限元模型动力修正领域的应用价值.还探讨了塔架结构修正参数的选取问题,为相关研究提供参考.     

基于多目标优化的混凝土斜拉桥静动力有限元模型修正

针对大跨混凝土斜拉桥结构有限元模型修正,为了充分利用静动力试验数据,提出了一种基于多目标优化算法的模型修正方法。利用静力位移和动力模态频率等结构实测静动力响应构造修正目标函数,在灵敏度分析的基础上选择待修正参数,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对国内某混凝土斜拉桥有限元模型进行了多目标优化修正,得到了模型修正多目标优化问题的Pareto最优解集,并利用静动力实测数据对修正后的有限元模型进行了验证。结果表明:模型修正后不仅参与优化的静力位移和动力计算结果与实测值吻合良好,而且未参与修正的结构静动力响应也与实测值更加接近,混凝土斜拉桥采用这种基于多目标优化的静动力有限元模型修正方法能够取得较满意的效果,修正后的有限元模型能够精确全面的模拟实际结构。     

用矩阵广义逆和灵敏度分析修正阻尼结构动力学模型

本文基于矩阵广义逆和灵敏度分析,提出了一种阻尼结构动力学模型的修正方法。该方法以实测结构模态参数为基准修正结构初始质量、刚度和阻尼矩阵,从而使计算和实测结构模态参数更为吻合。方法的修正过程分两步:首先,利用复模态理论的正交关系和特征关系对结构初始质量、刚度和阻尼矩阵作第一次修正;其次,利用复频率灵敏度分析对质量、刚度和阻尼矩阵作再次修正。数值算例和应用实例均表明,本文方法具有较高的修正精度,是一种简便有效的结构动力学模型修正方法。     

车辆传动系统非线性平移扭转耦合振动响应灵敏度研究

随着对齿轮传动系统动态品质要求的提高,仅固有特性及其灵敏度的分析已经无法满足车辆传动系统动态特性分析的要求,对强迫振动下响应特性的灵敏度研究可为减振设计提供进一步的指导。本文研究非线性动力学响应对轴段扭转刚度、质量点惯量以及轮齿啮合误差的灵敏度。将某车辆传动系统样机作为研究对象,以发动机激励作为输入,建立平移扭转耦合集中参数动力学模型。模型中考虑时变啮合刚度、齿侧间隙、轮齿制造、安装误差以及质量偏心等非线性因素,通过直接求导法建立灵敏度方程,利用数值求解的方法获得动力学响应对设计参数的相对灵敏度并进一步将其转化成工程中有实际意义的物理量的灵敏度结果,为齿轮传动系统基于动态响应的参数修改、模型修正和参数优化等方面提供理论依据。     

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     

基于子结构分析的多重子步模型修正方法

为了解决模型修正过程中修正目标众多和测量信息有限的矛盾，提出了多重子步模型修正方法(MSMUM)，先进行误差定位，再实现参数修正，把复杂的模型修正过程分步实现。利用子结构技术，使结构模型在整体上仅包含有限数目的子结构，对各子结构所对应的超级单元的刚度参与系数进行识别来实现误差定位，通过建立测量信息与待修正参数间的代数方程来修正误差定位后子结构内部构件的参数。数值算例表明，建立的模型修正方法有效可靠。利用建立的多重子步模型修正方法对润扬大桥南汊悬索桥桥塔模型进行了修正。     

佛山东平大桥静动力分层次有限元模型修正研究

提出一种适用于大型桥梁结构联合静动力的分层次有限元模型修正方法，并在佛山东平大桥成桥静载试验和模态试验据的基础上，借助于ANSYS软件中的优化设计平台对该桥进行了静动力分层次有限元模型修正，结果表明该方式物理概念清晰，能充分利用静动力试验信息，减小优化规模．修正后的有限元模型的静力特性和动力特性与试验结果吻合良好，建立了该桥结构健康监测与安全评估的基准有限元模型。     

频响函数残差法在有限元模型修正中的应用

准确的有限元模型能够真实有效地反映实际结构的动态信息,为缩小结构建模中的误差极有必要对结构有限元模型进行修正。目前,基于模态频率、振型和频响函数的模型修正方法应用最广。其中基于频响函数的修正方法避免了模态参数识别过程的误差,且不受测试自由度数限制,与模态频率和振型的模型修正方法相比更具有优势。基于频响函数的修正方法按目标可分为频响函数相关性法和频响函数残差法。频响相关性法立足于形状和幅值相关性与参数灵敏度的关系,与频响函数残差法相比,丧失了频响函数与设计参数的直接关联,导致在部分结构模型修正中出现振荡不收敛现象。为此,基于实际测试结构对比研究两种方法在有限元模型修正中的应用,并分析频率点数和频带范围对基于频响函数残差法的模型修正的影响。结果表明频响函数残差法能够稳定收敛且具有高效性;同时,合理的频率点数和较宽频带范围有利于提高频响函数残差法的修正效率。     

复振型叠加法截断误差及改进

根据复振型叠加理论,对具有非比例阻尼特性的线性体系,分析了复振型截断误差的来源,给出了误差公式。与比例阻尼体系的高阶实振型响应类似,通过反应比表达式可以看出随着输入频率与自振频率比的减小,高阶复振型的响应也趋于荷载的静态响应。基于此推导出了与传统修正方法形式一致的复振型静力修正方法和振型加速度方法,同时根据复振型退化为实振型的条件(实部与虚部成比例关系)建立了实、复振型修正方法的统一。用数值算例对修正方法进行了验证,结果表明:复振型修正方法能够很好地提高振型叠加的计算精度,特别是当结构主要固有频率大于输入卓越频率时修正效果更为显著;还发现附加阻尼较大时,导致部分高阶振型自振频率减小,在一定程度上会降低修正效果。     

基于Bayesian证据推断与信息增益的参数化有限元修正模型选择

在概率论和信息论框架下,建立一种基于Bayesian证据推断与马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法的有限元参数化修正模型选择分析方法,以解决有限元模型修正中的待定模型参数选择问题。引入信息增益(Information Divergence)指标,定量表征有限元模型修正过程中需要从测量数据中提取用于修正待定模型参数的信息量多少,以惩罚有限元模型待修正参数的复杂程度,能过权衡有限元参数化模型复杂度与其相应信息论表述的复杂度,获得满足模型与实测数据吻合度要求且待定参数相对简单的有限元参数化修正模型,有效避免由于待修正参数过多而导致的模型过拟合问题。通过对某两层螺栓连接钢框架有限元模型半刚性连接刚度参数修正的数值仿真与模型实验研究,对该方法进行验证。     

基于响应灵敏度分析的桥梁结构损伤和车辆参数的识别

基于响应灵敏度分析利用车-桥耦合系统的加速度响应进行桥梁结构的局部损伤和车辆参数识别。在正问题中建立了连续桥梁结构和车辆耦合系统的有限元模型,利用Newmark直接积分法求出在移动车载作用下系统的动态响应,并进一步推导出动态响应对系统物理参数的时域响应灵敏度。在反问题中利用该响应灵敏度矩阵进行系统的有限元模型修正,识别出桥梁的局部损伤和车辆参数,讨论了人工噪声对识别结果的影响。算例表明该方法具有精度高、对测量噪声不敏感等特点。     

基于位移频响函数灵敏度分析的模型修正

针对频响函数灵敏度分析法进行模型修正时,由于一阶近似固有的局限性,很难直接迭代得到正确收敛结果的问题,提出了频响函数灵敏度拟合函数进行基于模型修正的结构损伤识别方法。首先,采用模态参与变异系数准则选取激励点位置、频率响应有效独立法结合距离系数-有效独立法选取测点位置;然后,综合考虑频响函数对修正参数变化的灵敏度和频响函数的相关性,选择一个合理的频率点;最后,拟合随参数变化的频响函数灵敏度函数曲线,引入新的中间设计参数,从而建立中间设计参数的频响函数灵敏度方程组,通过求解中间设计参数的改变量来求解修正参数的改变量。三自由度质量—弹簧和二维桁架系统的数值算例验证了所提出方法的可行性;数值算例表明,该方法具有较高的计算效率和识别精度,也对随机噪声具有鲁棒性,同时有效地避免了灵敏度方程组数值平衡导致的收敛问题。     

基于分层思想对复杂工程结构的有限元模型修正技术研究

由于复杂工程结构的有限元模型中不确定参数较多,不确定参数的变化范围较大,对其修正时目标参数难以收敛,针对此问题提出引入模型确认技术中的分层思想,建立了分层模型修正技术的数学模型,把复杂工程结构按连接特性分解为若干个子结构,再把子结构分成若干个零件,分别对零件、子结构进行修正,最后不需要对整体结构进行修正而生成工程中可接受的有限元模型,以模型确认技术领域内的benchmark模型为例进行分层修正,研究结果表明了基于分层思想的有限元模型修正结果精度较高,具有较大的工程应用价值。     

基于最敏感设计参数的斜拉索有限元动力模型修正

基于较完善的斜拉索有限元模型,分析讨论了斜拉索张力、抗拉刚度、抗弯刚度以及线密度等不同设计参数对长索和短索计算频率的相对灵敏度,确定了最敏感设计参数.在此基础上,根据优化理论,对洞庭湖大桥拉索进行基于最敏感设计参数的动力模型修正,修正后的模型的动力特性更加趋近于实测值.修正后的斜拉索有限元模型可以作为拉索张力评估的基准.     

支架结构建模中设计参数的修正与优化

为降低某支架有限元建模的参数设置误差。根据有限元模态和实验模态结果,建立模态频率残差向量。应用灵敏度分析法,从结构12个设计参数中选取了3个弹性模量和3个密度参数作为修正量。以模态频率残差向量和参数修正量构建目标函数,并采用优化算法行求解。修正后的有限元模态与实验模态具有高度的一致性,表明修正后的支架有限元模型能够准确地反映结构特性,同时也验证设计参数修正方法的有效性和可行性。     

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。