基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法
【專利摘要】基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，涉及一種靜力信息的實(shí)際運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法，本發(fā)明為解決現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正效率低，無法滿足大型復(fù)雜橋梁有限元模型修正的問題。本發(fā)明所述修正方法的具體過程為：利用超單元技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型進(jìn)行縮聚，獲取縮聚后的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型；結(jié)合虛擬變形法建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型；進(jìn)行基于靜力信息的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正。本發(fā)明用于解決基于靜力信息的實(shí)際運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正問題。
【專利說明】基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種靜力信息的實(shí)際運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 橋梁結(jié)構(gòu)是連接公路的重要樞紐，其結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)保障公路交通的安全與暢通 舉足輕重。有效、準(zhǔn)確地評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是保障橋梁運(yùn)營安全的重要手段，而橋梁 承載能力的評(píng)定往往依靠一個(gè)能反映橋梁實(shí)際運(yùn)營狀況的精確基準(zhǔn)有限元模型，基于靜力 測(cè)試信息的橋梁有限元模型修正則是建立該基準(zhǔn)模型的有效方法。
[0003] 基于靜力信息的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：模型修正結(jié)果不受 結(jié)構(gòu)阻尼及質(zhì)量信息的影響、測(cè)試結(jié)果信噪比較高、容易構(gòu)造模型修正的超定優(yōu)化問題等。 但是，對(duì)于實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)體型巨大、自由度數(shù)量趨于無限，而且結(jié)構(gòu)有限元模 型修正的優(yōu)化問題求解往往需要大量的迭代運(yùn)算，因此，如何解決大型復(fù)雜橋梁有限元模 型修正的計(jì)算效率問題仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正效率低，無法滿足大型復(fù)雜 橋梁有限元模型修正的問題，提供了一種基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模 型修正方法。
[0005] 本發(fā)明所述基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，該方法 的具體過程為：
[0006] 步驟一：利用超單元技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型進(jìn)行縮聚，獲取縮聚后的橋 梁結(jié)構(gòu)有限元模型；
[0007] 步驟二：根據(jù)步驟一獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元縮聚模型，結(jié)合虛擬變形法建立橋梁 結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型；
[0008] 步驟三：根據(jù)步驟二獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型，進(jìn)行基于靜力信息 的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正。
[0009] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 第一，采用超單元技術(shù)能夠縮減橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型的規(guī)模；
[0011] 第二，利用虛擬變形法能夠建立大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型；
[0012] 第三，該模型能夠求解基于靜力信息的橋梁有限元模型修正優(yōu)化問題的迭代運(yùn) 算。
[0013] 本發(fā)明所述基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法能夠 大幅提高基于靜力信息的大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正的計(jì)算效率，效率可以提高 10?20倍，同時(shí)還能夠保證有限元模型修正的計(jì)算精度，代理模型與計(jì)算模型相對(duì)計(jì)算誤 差小于0. 1%，本發(fā)明適用于解決基于靜力信息的實(shí)際運(yùn)營橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明所述基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法 的流程框圖；
[0015] 圖2是目標(biāo)函數(shù)的迭代收斂曲線，曲線1代表工況1，曲線2代表工況2,曲線3代 表工況3,曲線4代表工況4 ;
[0016] 圖3是修正參數(shù)的迭代收斂曲線；
[0017] 圖4是三跨連續(xù)橋梁的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖5是主梁橫斷面圖；
[0019] 圖6是靜載試驗(yàn)過程中加載車輛輪距的平面布置圖；
[0020] 圖7是94#_95#橋墩對(duì)稱加載布置圖；
[0021] 圖8是【具體實(shí)施方式】三中步驟二一中所述的空間梁?jiǎn)卧淖冃涡问剑琣表示軸向 變形，b表示彎曲和堅(jiān)向變形，c表示彎曲和堅(jiān)向變形，d表示彎曲變形，e表示扭曲變形，f 表示彎曲變形。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0022] 一：下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于超單元結(jié) 合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，該方法的具體過程為：
[0023] 步驟一：利用超單元技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型進(jìn)行縮聚，獲取縮聚后的橋 梁結(jié)構(gòu)有限元模型；
[0024] 步驟二：根據(jù)步驟一獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元縮聚模型，結(jié)合虛擬變形法建立橋梁 結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型；
[0025] 步驟三：根據(jù)步驟二獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型，進(jìn)行基于靜力信息 的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正。
[0026] 本實(shí)施方式中，所述虛擬變形法是一種快速結(jié)構(gòu)重分析方法，只需要利用結(jié)構(gòu)的 影響矩陣和初始有限元模型的計(jì)算結(jié)果就能夠快速地計(jì)算出參數(shù)改變后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，利用 這一思想可有效建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元靜力分析的代理模型，從而提高提高橋梁有限元模型 修正的計(jì)算效率。但是，虛擬變形法中的影響矩陣的維數(shù)是制約有限模型修正計(jì)算效率的 關(guān)鍵問題，而該維數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型的有限單元數(shù)量相關(guān)，因此，采用超單元技 術(shù)對(duì)橋梁初始有限元模型進(jìn)行縮聚，從而解決了虛擬變形法中影響矩陣的降維問題。因此， 提出基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法具有重要意義。

【具體實(shí)施方式】 [0027] 二：下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說明，步驟一所述獲取縮聚后的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的具體過程為：
[0028] 步驟一一、設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)含有η個(gè)自由度，其特征方程表示為：

【權(quán)利要求】
1. 基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，其特征在于，該方法 的具體過程為： 步驟一：利用超單元技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)初始有限元模型進(jìn)行縮聚，獲取縮聚后的橋梁結(jié) 構(gòu)有限元模型； 步驟二：根據(jù)步驟一獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元縮聚模型，結(jié)合虛擬變形法建立橋梁結(jié)構(gòu) 有限元模型的代理模型； 步驟三：根據(jù)步驟二獲取的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型，進(jìn)行基于靜力信息的橋 梁結(jié)構(gòu)有限元模型修正。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法， 其特征在于，步驟一所述獲取縮聚后的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的具體過程為： 步驟一一、設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)含有η個(gè)自由度，其特征方程表示為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超單元結(jié)合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法， 其特征在于，步驟二所述建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型的代理模型的具體過程為： 步驟二一、對(duì)空間梁?jiǎn)卧膭偠染仃囘M(jìn)行特征值分析，獲取空間梁?jiǎn)卧牧N變形形
步驟二二、對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元施加單位廣義應(yīng)變，其等價(jià)形式是在單元上施加一 對(duì)大小相等、方向相反的自平衡力，由公式（7)計(jì)算出產(chǎn)生單位應(yīng)變后節(jié)點(diǎn)位移的大小，從 而利用單元?jiǎng)偠染仃嚝@取各自由度上施加的力的大小，在這一對(duì)平衡力作用下計(jì)算出橋梁 結(jié)構(gòu)各單元的廣義應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)位移，分別作為應(yīng)變影響矩陣和位移影響矩陣的一列；對(duì)于 由η個(gè)單元、m個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的橋梁結(jié)構(gòu)體系，依次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3η次有限元分析，得到其廣義 應(yīng)變影響矩陣D的維數(shù)為3ηΧ3η，位移影響矩陣Β的維數(shù)為3mX3n ; 步驟二三、虛擬變形法計(jì)算過程中涉及到兩種結(jié)構(gòu)分別是修正結(jié)構(gòu)和變形機(jī)構(gòu)，虛擬 變形法的前提是假設(shè)修正結(jié)構(gòu)與受外荷載作用的變形結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力大小完全一致，若 在單元i上施加虛擬變形則前提假設(shè)表示為：

【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104091033SQ201410360183
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】劉洋, 馬俊, 聶玨光, 張紹逸, 楊昌熙 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)