考虑不确定性因素的有限元屈曲模型验证

研究了考虑不确定性因素的有限元屈曲模型验证和确认方法,提出了不确定参数选择的相关性和敏度分析方法以及基于面积度量的模型评估方法.针对化铣整体壁板,开展了有限元屈曲模型验证研究,首先利用8件试验件,获得了壁板屈曲载荷的试验值,然后依据试验加载情况,建立了考虑试验台的壁板有限元模型,最后利用面积度量方法对有限元模型进行了验证和确认.本文的模型验证和确认方法可为其他工程结构开展类似的工作提供借鉴.     

结构动力模型修正技术的发展

在计算机技术飞速发展之前,为了了解航天器在极端载荷情况下的力学行为,通常采用足尺结构星试验的办法.结构星试验方法用于结构的分析和力学行为预测,存在着耗资较大和周期较长的不足.随着数值分析技术的发展,用有限元分析结合模型修正技术代替大型试验已经成为可能.本文评述了自上个世纪70年代末期以来结构动力模型修正技术的发展,包括早期直接对总体矩阵的修正技术,还有从90年代初期发展起来的对矩阵元素或设计参数进行修正的技术.总结了元素型修正方法中的迭代法、优化法以及摄动法,其中包括考虑了试验误差的统计算法和大型复杂结构修正的遗传算法.介绍了模型修正技术中的自由度匹配技术、灵敏度分析技术和对模型修正方法的有效性进行检验的一些经验标准,归纳了目前模型修正技术还需要解决的一些关键技术问题.      

结构动力学有限元模型确认方法研究

随着结构动力学求解问题的复杂化，有限元分析方法越来越起着关键作用。由于许多结构系统本身存在不确定性因素，试验数据存在随机误差，而计算的三类误差也会包含着不确定性误差，如何用有限的试验来修正和检验计算模型，最后得到具有一定置信度的有限元模型，即模型确认，在工程领域越来越得到关注。在与模型修正比较的基础上，详细讨论了模型确认的主要研究内容，并结合两个应用实例，讨论模型确认的总体思路与实现方法。     

基于贝叶斯理论的恢复力模型参数识别方法

提出了基于贝叶斯理论的恢复力模型参数识别方法,该方法考虑了模型误差的影响,结合实测滞回曲线数据,不仅可以得到模型参数的最有可能值,而且可以得到模型参数的定量的不确定性。以密肋复合墙体在低周反复荷载作用下所得滞回曲线为例,提出了可考虑刚度降低、捏拢滑移及极限荷载后强度降低现象的恢复力模型,建立了基于贝叶斯理论的恢复力模型参数识别计算框架,推导得到了模型参数的负对数似然函数,据此可得到模型参数的最有可能值及协方差矩阵。对标准密肋复合墙体预制试件和现浇试件的恢复力模型参数进行了识别,将根据模型参数最有可能值得到的滞回曲线及根据模型参数最有可能值及协方差矩阵得到的骨架曲线,与相应的实测值进行了对比,验证了所提方法的可行性及识别结果的合理性,更新的模型参数概率分布可用于后续的抗震风险评估。     

有限元模型修正研究进展:从线性到非线性

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.      

基于贝叶斯信息融合的岸桥有限元模型修正研究

为建立精确的岸桥有限元模型,研究了基于贝叶斯信息融合的模型修正方法．通过方差分析,确定待修正参数,利用中心复合试验设计获取样本点,根据有限元计算结果与实测的结果残差为目标函数获得响应样本．拟合样本点和响应样本值构建二阶多项式响应面模型,并检验响应面模型的精度．基于贝叶斯理论更新融合系数来优化响应面参数,从而获得修正模型．以宁波大榭3号岸桥为工程背景,对比修正后的模态频率和实测频率,最大频率相对误差不超过5%,进而验证了基于贝叶斯信息融合的动力学有限元模型修正方法的有效性．修正后的有限元模型可进一步应用于岸桥的健康监测和安全评估．     

自适应SVD-UKF算法及在组合导航的应用

提出一种新的自适应奇异值分解Unscented卡尔曼滤波(UKF)算法.该算法利用自适应因子平衡动力学模型信息与观测信息的权比,控制动力学模型误差对导航参数解的影响.用奇异值分解阵(SVD)的迭代计算代替协方差矩阵的迭代变换,提高了协方差矩阵的数值稳定性.将新算法应用于组合导航系统进行计算仿真,结果证明,新算法具有良好的鲁棒性,能有效改善滤波性能,提高组合导航系统的精度.     

一种有限元模型修正中的参数选择方法

有限元模型修正面临的首要问题是待修正参数的选择.目前主要是基于灵敏度分析的结果进行参数选择.本文从结构固有频率分析的能量法出发,论证了某阶固有频率主要受到同阶振型中发生弹性变形部位刚度的影响,据此提出一种待修正参数的选择方法,以振型中弹性变形为依据,选择弹性变形较大部位的参数作为待修正参数.用一个梁模型仿真验证了该方法的正确性,并将其应用于系杆拱桥的有限元模型修正中,修正后有限元计算结果与试验结果的最大误差缩小至3.3%.     

粘弹性随机有限元

以近似不可压缩粘弹增量有限元和摄动法为基础，利用增量法处理遗传积分，应用参数摄动考虑随机性，采用局部平均方法对随机场进行离散，通过相关结构分解减少计算量，发展了一种粘弹性随机有限元方法。研究表明，尽管粘弹性材料本构关系具有时间相依性，其随机摄动格式并不存在“长期项”的影响。应用该方法进行粘弹性结构的随机模拟，程序实施简单，计算效率较高，精度较高。     

基于SGMD及LWOA-ELM的有限元模型修正

为得到待修正参数与结构响应之间的关系,提高模型修正的效率和精度,提出了一种基于辛几何模态分解(SGMD)和Lévy飞行鲸鱼优化算法(LWOA)优化极限学习机(ELM)的有限元模型修正(FEMU)方法。首先,对加速度频响函数(AFRF)进行SGMD分解,采用能量熵增量法确定重组辛几何分量(SGC)构成SGC矩阵。然后,利用LWOA对ELM的权值和阈值进行优化,提高ELM模型的预测效率,以LWOA-ELM为代理模型映射出待修正参数与SGC矩阵之间的关系。最后,以试验频响函数SGC矩阵与LWOA-ELM模型输出所得矩阵差值的F-范数最小为目标函数,结合LWOA求解待修正参数。算例分析表明,提出的方法用于有限元模型修正有较好的可行性和有效性。以SGC矩阵表征AFRF的修正方法,有较好的噪声鲁棒性;LWOA-ELM作为代理模型预测精度高,泛化能力强。     

基于频响函数提升小波总能量的桁架结构随机模型修正

为了解决模型修正问题中的随机性,构建了一种基于提升小波总能量的随机模型修正方法.首先,将结 构的加速度频响函数进行提升小波变换,并提取提升小波总能量来代替加速度频响函数;然后,以待修正参数作为输入,提升小波总能量为输出构建响应面代理模型代替原来的有限元模型;接着,运用蒙特卡洛抽样抽取响应样本,并设定阈值筛选响应样本;最后,以代理模型预测得到的响应和抽样所得真实响应之间的差值最小为 目标函数,通过布谷鸟优化算法寻优求解待修正参数的均值.算例表明,所提方法修正后参数的最大误差小于3.3％,相应的频响函数曲线重合度高.     

Recent progress on finite element model updating: From linearity to nonlinearity

有限元分析在实际工程中得到了广泛应用.然而有限元模型由于受到网格划分、边界条件和材料物理参数不确定性等的影响,与真实结构有差异. 因此须通过试验数据加以修正,使其尽可能接近实际结构,以保证之后的结构动力模拟分析和监测等具有实际意义. 经过多年发展,有限元模型修正技术已经能够成功应用于一些实际工程,但现代工程技术的进步对有限元模型修正提出了更高要求,修正后的有限元模型不仅要有较高的精确度,还需要为后续应用给出具有指导意义的置信度.而现有的有限元模型修正、确认方法多基于结构线性的假设,而未能考虑实际结构中广泛存在的非线性.因此本文以土木工程结构模型修正的一些研究成果为例,通过对传统有限元模型修正的发展历程进行全面回顾;总结评述传统有限元修正技术的主要方法,以及包括有限元模型确认在内的最新研究进展;重点探讨有限元模型修正技术向非线性发展的技术路线和目前主要研究成果,展望其未来发展方向, 并提出值得研究的问题.     

基于Kriging模型和改进MCMC算法的随机有限元模型修正

针对待修正参数维数较高时,标准马尔可夫链蒙特卡罗MCMC (Markov Chain Monte Carlo)算法不易收敛、拒绝率高的问题,提出了基于Kriging模型和在MCMC中融合花朵授粉算法的修正方法.首先,以待修正参数作为输入,以应变模态作为输出,建立Kriging模型,通过蝙蝠算法确定Kriging模型的相关系数;然后,采用最大熵的贝叶斯方法估计参数的后验概率密度函数,将花朵授粉算法融入MH (M etropolis-Hasting)抽样算法,提高局部寻优和全局寻优能力;最后,通过三自由度弹簧-质量系统和三维桁架结构的数值算例验证所提模型修正方法,修正后参数相对误差均低于0.86％.结果 表明,所提方法修正后较高维参数的马尔可夫链能够快速收敛且样本接受率也有所提高,该方法也对随机噪声具有一定的鲁棒性.     

动力模型修正中逆特征值问题的数值解法

本文提出了一种参数型动力模型修正的方法．因为这种方法与经典的逆特征值问题的提法是一致的，所以先建立起与逆问题等价的关于设计参数的非线性方程组，然后构造出可以用Ｎｅｗｔｏｗ法求解的格式．数值仿真结果表明本文方法具有较好的收敛性和较高的计算精度．     

基于Kriging模型的频响函数有限元模型修正方法

针对使用频响函数进行有限元模型修正的问题,提出了一种基于Kriging模型的修正方法,用于检测结构由损伤引起的在单元刚度特性上的衰减。本文方法可以在不需要推导修正参数与频响函数残差代数关系的前提下,通过少量测点提供的有效数据快速求解;还可以通过控制算法的终止准则来提高对未知区域的探索程度,降低结果收敛到局部解上的可能。使用Kriging模型可以有效地减少原有限元模型的计算次数,保证计算效率的同时,为对结构进行更准确精密的有限元建模提供了便利。     

Improving the neural network method for finite element model updating using homogenous distribution of design points

In developing a neural network technique for a finite element model updating, researchers have been shown that the number of training samples and their quality, significantly affect the accuracy of the NN predication. In this study, based on the genetic algorithm (GA) method, we reduce the number of analyses required to develop the training pairs and reduce the amount of time for training the NN. In the other words, a uniform distribution of design points inside the design space will be obtained by means of this approach. To validate the efficiency of GA sample selection, random generation (RG) method is used for comparison. Two comparisons are made based on a numerical and experimental example. One is updated from 10 degrees of freedom lumped parameters system and the other is updated from a free–free beam using test data. The results indicate that the GA sample selection can reduce the number of training samples without affecting the accuracy of the NN predication. In our present study, also, the advantages of using frequency response function (FRF) data as input to the NN are kept and the drawback of having too many frequency points is overcome by the application of principal component analyses (PCA).     

Constrained Substructure Model Updating Method Based on Local Mode

针对局部子结构为修正对象的情况提出了约束子结构修正法,实现只利用整体结构模态中对 应子结构部分的模态即可以修正子结构模型. 由脉冲响应结合特征系统实现法识别出子结构的低阶模态; 结合识别的模态和整体结构理论模型的高阶模态构造整体结构对应子结构位置的柔度矩 阵;利用柔度矩阵的物理意义,在子结构的边界上施加数值支座,把子结构从整体结构 中隔离出来成为约束子结构,同时构造出约束子结构的柔度矩阵;利用灵敏度的方法根 据构造出的约束子结构柔度矩阵,优化修正约束子结构,即间接等效地修正子结构模型. 通过一个平面桁架结构验证了约束子结构模型修正法的可行性与有效性,即使在5%或 10%的噪声影响下,仍能得到满意的修正结果. 关键词 模型修正,柔度矩阵,约束子结构,灵敏度,修正单元力     

基于静力响应面的结构有限元模型修正方法

提出了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法.运用响应面方法,将结构静力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(函数)基础上,通过优化计算对结构有限元模型参数进行修正.阐述了基于静力响应面的结构有限元模型修正方法的基本理论和一般实现过程.对两跨连续梁结构的静力模型修正数值算例分析结果表明:基于静力响应面的有限元模型修正方法可以减少结构有限元计算的次数、提高模型修正的优化效率,结构有限元模型修正结果具有可接受的精度.