橋梁有限元模型的修正方法
【專利摘要】本發明公開了一種橋梁有限元模型的修正方法，包括以下步驟：S1，通過通用有限元計算軟件ANSYS建立全橋的實體有限元模型；S2，采用均勻設計法對該全橋的實體有限元模型進行一次修正。本發明具有以下優點：均勻設計方法作為一種優越性明顯的試驗優化設計方法，運用于橋梁結構有限元模型修正上是可行的；基于均勻設計方法從效率上來講它可以利用較短的時間找到一個比較正確的結果，提高了橋梁大型有限元模型修正的效率；響應面方法作為一種試驗設計與數理統計相結合的數學分析方法，運用于大型復雜橋梁結構的有限元模型修正中是可行的；可以同時保證較高的修正效率和修正精度。
【專利說明】橋梁有限元模型的修正方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種橋梁有限元模型的修正方法，屬于橋梁有限元模型修正【技術領域】。

【背景技術】
[0002]橋梁作為交通運輸的關鍵點，在我們的日常生活中承擔著極其重要的角色。正是因為一座座橋梁的存在，使得全國的公路以及鐵路運輸網得以貫通，構成了四通八達交通運輸系統，橋梁對于城市交通的重要性也與日俱增。近幾年隨著我國經濟的飛速發展，我們國家在橋梁建設方面取得了巨大的成就，同時，橋梁工程又是關系到人民生命財產安全的工程，因此橋梁的健康情況需高度重視。但是，隨著橋梁服役期的增長，橋梁自身的內部機構、材料都會慢慢的發生變化，致使橋梁的承載能力降低。當這些的損傷積累到一定程度時，橋梁就可能發生事故。橋梁一旦發生重大事故，將會造成難以預估的損失。
[0003]面對橋梁坍塌所帶來的巨大損失，除了在橋梁的設計和施工時多加重視，橋梁的損傷預警也越來越受到關注。因為若能夠使得橋梁預警起到重要的作用，不僅能夠避免人員的傷亡，還能夠對橋梁的損傷及時修復，避免等到橋梁嚴重受損時修復所花費的巨大資金，如美國現有的橋梁中因為結構缺損或者陳舊急需修復所需資金大約有700億美元，我國每年也需要在橋梁維護中花費38億元才能使得橋梁正常工作。因此，利用橋梁有限元模型對橋梁的性能進行評估同時對特定荷載工況下的響應值進行預測并及時進行損傷預警，就能夠確保橋梁的安全使用，以減少不必要的損失，而橋梁有限元模型精度的高低決定了其是否可以實現上述目的。
[0004]現有的模型修正技術主要分為兩大類:一種是針對已建立的有限元模型結構進行局部的優化修正，一種是針對有限元模型的參數進行修正。前者主要是針對關鍵位置的有限元模型進行網格再劃分，增加關鍵部位的網格數量，這樣會增加有限元分析時的計算時間，如果建模過程中是嚴格按照橋梁的設計圖紙進行的，這種修正方法的修正效果不是很明顯。針對模型參數進行修正時分為基于動力信息(如橋梁結構的頻率、振興等)和靜力信息(如橋梁結構的位移和應變等)的修正。在過去近20年里，依據振動模態分析為核心的結構動態測試技術相當成熟，基于動力信息的動力有限元模型修正技術成為了國內為研究的熱點，然而這種修正技術有其局限性:動力信息數據容易受噪聲影響，經過動力信息修正的模型無法進行結構的靜力分析。因而用靜力信息對模型進行修正顯得尤為重要。
[0005]《土木工程報，2008(12):73_78》公開了一種基于響應面的橋梁有限元模型修正方法；《振動.測試與診斷》2012年02期公開了一種基于MIGA的結構模型修正及其應用方法，二者采用響應面法分別將試驗設計和回歸分析方法以及多島遺傳算法(MIGA)應用到有限元模型中，對橋梁結構進行分析，但是其存在的缺點是:對于大型復雜的系統來說，精度一般，而且計算量比較大。另外，Sanayei, Masoud, Bell, Erin Santini, Javdekar, Chitra N,et al.Damage localizat1n and finite—element model updating using multiresponseNDT data[J].Journal of Bridge Engineering，2006，11 (6):688-698公開了一種橋梁的多響應無損檢測技術的有限元分析方法，其將基于多響應數據結構損傷局部化的損傷指數作為最終的損害結果，該參數估計方法可用于多種數據類型，但是該方法也并不涉及針對靜力數據對初始有限元模型進行修正的內容，因此還需要進行進一步的探索。


【發明內容】

[0006]本發明的目的在于，提供一種橋梁有限元模型的修正方法，它可以有效解決現有技術中存在的問題，尤其是現有的橋梁有限元模型修正方法的修正效率和修正精度較低的問題。
[0007]為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案:一種橋梁有限元模型的修正方法，包括以下步驟:
[0008]SI，通過通用有限元計算軟件ANSYS建立全橋的實體有限元模型；
[0009]S2，采用均勻設計法對該全橋的實體有限元模型進行一次修正。
[0010]優選的，步驟S2所述的采用均勻設計法對該全橋的實體有限元模型進行一次修正具體包括:
[0011]XI,選取目標函數Q(X)和待修正的參數變量x(如m個)；
[0012]X2，將每個參數變量的取值劃分為η個水平(所述水平的個數η根據工程要求的精度來確定)；
[0013]Χ3，根據均勻設計表及其使用表選取參數水平組合進行試驗(每次試驗即為一次有限元模型計算)；
[0014]Χ4，將每次試驗得到的靜力數據與實測靜力數據帶入目標函數和誤差指標函數中即得每次試驗的結果；
[0015]Χ5，比較各個試驗結果，得目標函數與誤差指標函數最小時的參數水平，基于此參數水平的有限元模型(即試驗)即一次修正后的基準有限元模型。
[0016]步驟Χ3中，所述的均勻設計表包括列號和實驗號，在每個因素上面只做一次實驗，比如本發明中提到的，只在彈性模量、密度、泊松比這三個因素上面，一個測量點只做一次實驗。而使用表中，則加入了偏差D，D的值越小表示均勻度越好，另外，在使用表中，還包含因素數、列號。此因素數和列號是和設計表所對應的，本發明中的因素數為3。然后，利用相關構造表的算法和準則，包括化簡的方法對表格進行處理。所述的均勻設計表及其使用表中的數值，是由傳感器傳輸過來的數據進行選擇的，一組傳感器傳來的一批數據看作是一次實驗，且根據試驗研究，均勻設計法的實驗次數，選取因素數的3~5倍為最佳。
[0017]本發明步驟Xl所述的目標函數Q(X)具體為:

【權利要求】
1.一種橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，建立全橋的實體有限元模型； S2，采用均勻設計法對該全橋的實體有限元模型進行一次修正。
2.根據權利要求1所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟S2所述的采用均勻設計法對該全橋的實體有限元模型進行一次修正具體包括: XI，選取目標函數Q(X)和待修正的m個參數變量X ; X2，將每個參數變量的取值劃分為η個水平； Χ3，根據均勻設計表及其使用表選取參數水平組合進行試驗； Χ4，將每次試驗得到的靜力數據與實測靜力數據帶入目標函數和誤差指標函數中即得每次試驗的結果； Χ5，比較各個試驗結果，得目標函數與誤差指標函數最小時的參數水平，基于此參數水平的有限元模型即一次修正后的基準有限元模型。
3.根據權利要求2所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟Xl所述的目標函數Q(x)為: λ, 、 m(^O—右1— Ω(χ)=ΣΥ?(^^^)■

Si 其中，Q(x)為目標函數，ri為權重系數，ε i⑴為第i點的應變值，Ci為i個應變的平均值。
4.根據權利要求3所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟Xl所述的誤差指標函數為: 單個測點數據的誤差率: F(Xi)=^CliL
Xf I 所有測點數據的平均誤差率:
I ?
1.u , I γ 一.γ P{x)=Ijp^L ;
叫X1 式中，Xi> X,分別為有限元模型計算得到的測點數據和現場實測得到的測點數據。
5.根據權利要求1或2所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的均勻設計法的實驗次數為因素數的3?5倍。
6.根據權利要求1?5任一所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，還包括以下步驟: S3，利用均勻設計法選取試驗點生成響應面，采用響應面法對該全橋的實體有限元模型進行二次修正。
7.根據權利要求6所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步驟S3中所述的利用均勻設計法選取試驗點生成響應面，采用響應面法對該全橋的實體有限元模型進行二次修正具體包括: a,通過均勻設計表獲得橋梁隨機參數變量X的ns個樣本點，通過均勻設計試驗即得響應面目標函數Y的樣本點數值，Y = Iy1, y2,...，ynJ ； b，利用參數變量X和目標函數Y的樣本點數值回歸分析得待定因子的最小二乘估計值，進而獲得響應面函數； c,對響應面函數進行優化，得響應面目標函數與誤差指標函數最小時的參數變量取值，基于此參數變量的結構有限元模型即為橋梁二次修正后的有限元模型。
8.根據權利要求7所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的參數變量X=[E，P，μ ]，其中，E為混凝土彈性模量，P為混凝土密度，μ為泊松比。
9.根據權利要求6?8任一所述的橋梁有限元模型的修正方法，其特征在于，還包括:S4，依據修正后的模型，判斷其獲得的應力損失量或彈性模量損失量是否達到設定的預警值。
【文檔編號】G06F17/50GK104133959SQ201410363631
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】吳朝霞, 王立夫, 胡立朋, 邵元隆, 李俞呈, 樊紅 申請人:東北大學