基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法
【专利摘要】基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法，涉及一种静力信息的实际运营桥梁结构的有限元模型修正方法，本发明为解决现有桥梁结构有限元模型修正效率低，无法满足大型复杂桥梁有限元模型修正的问题。本发明所述修正方法的具体过程为：利用超单元技术对桥梁结构初始有限元模型进行缩聚，获取缩聚后的桥梁结构有限元模型；结合虚拟变形法建立桥梁结构有限元模型的代理模型；进行基于静力信息的桥梁结构有限元模型修正。本发明用于解决基于静力信息的实际运营桥梁结构有限元模型修正问题。
【专利说明】基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种静力信息的实际运营桥梁结构的有限元模型修正方法。
【背景技术】
[0002] 桥梁结构是连接公路的重要枢纽，其结构的安全性对保障公路交通的安全与畅通 举足轻重。有效、准确地评定桥梁结构的承载能力是保障桥梁运营安全的重要手段，而桥梁 承载能力的评定往往依靠一个能反映桥梁实际运营状况的精确基准有限元模型，基于静力 测试信息的桥梁有限元模型修正则是建立该基准模型的有效方法。
[0003] 基于静力信息的桥梁结构有限元模型修正方法具有如下优点：模型修正结果不受 结构阻尼及质量信息的影响、测试结果信噪比较高、容易构造模型修正的超定优化问题等。 但是，对于实际桥梁结构而言，其结构体型巨大、自由度数量趋于无限，而且结构有限元模 型修正的优化问题求解往往需要大量的迭代运算，因此，如何解决大型复杂桥梁有限元模 型修正的计算效率问题仍然是一个具有挑战性的课题。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是为了解决现有桥梁结构有限元模型修正效率低，无法满足大型复杂 桥梁有限元模型修正的问题，提供了一种基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模 型修正方法。
[0005] 本发明所述基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法，该方法 的具体过程为：
[0006] 步骤一：利用超单元技术对桥梁结构初始有限元模型进行缩聚，获取缩聚后的桥 梁结构有限元模型；
[0007] 步骤二：根据步骤一获取的桥梁结构有限元缩聚模型，结合虚拟变形法建立桥梁 结构有限元模型的代理模型；
[0008] 步骤三：根据步骤二获取的桥梁结构有限元模型的代理模型，进行基于静力信息 的桥梁结构有限元模型修正。
[0009] 本发明的优点：
[0010] 第一，采用超单元技术能够缩减桥梁结构初始有限元模型的规模；
[0011] 第二，利用虚拟变形法能够建立大型复杂桥梁结构有限元模型的代理模型；
[0012] 第三，该模型能够求解基于静力信息的桥梁有限元模型修正优化问题的迭代运 算。
[0013] 本发明所述基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法能够 大幅提高基于静力信息的大型复杂桥梁结构有限元模型修正的计算效率，效率可以提高 10?20倍，同时还能够保证有限元模型修正的计算精度，代理模型与计算模型相对计算误 差小于0. 1%，本发明适用于解决基于静力信息的实际运营桥梁结构有限元模型修正问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明所述基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法 的流程框图；
[0015] 图2是目标函数的迭代收敛曲线，曲线1代表工况1，曲线2代表工况2,曲线3代 表工况3,曲线4代表工况4 ;
[0016] 图3是修正参数的迭代收敛曲线；
[0017] 图4是三跨连续桥梁的结构示意图；
[0018] 图5是主梁横断面图；
[0019] 图6是静载试验过程中加载车辆轮距的平面布置图；
[0020] 图7是94#_95#桥墩对称加载布置图；
[0021] 图8是【具体实施方式】三中步骤二一中所述的空间梁单元的变形形式，a表示轴向 变形，b表示弯曲和坚向变形，c表示弯曲和坚向变形，d表示弯曲变形，e表示扭曲变形，f 表示弯曲变形。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0022] 一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于超单元结 合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法，该方法的具体过程为：
[0023] 步骤一：利用超单元技术对桥梁结构初始有限元模型进行缩聚，获取缩聚后的桥 梁结构有限元模型；
[0024] 步骤二：根据步骤一获取的桥梁结构有限元缩聚模型，结合虚拟变形法建立桥梁 结构有限元模型的代理模型；
[0025] 步骤三：根据步骤二获取的桥梁结构有限元模型的代理模型，进行基于静力信息 的桥梁结构有限元模型修正。
[0026] 本实施方式中，所述虚拟变形法是一种快速结构重分析方法，只需要利用结构的 影响矩阵和初始有限元模型的计算结果就能够快速地计算出参数改变后的结构响应，利用 这一思想可有效建立桥梁结构有限元静力分析的代理模型，从而提高提高桥梁有限元模型 修正的计算效率。但是，虚拟变形法中的影响矩阵的维数是制约有限模型修正计算效率的 关键问题，而该维数与桥梁结构初始有限元模型的有限单元数量相关，因此，采用超单元技 术对桥梁初始有限元模型进行缩聚，从而解决了虚拟变形法中影响矩阵的降维问题。因此， 提出基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法具有重要意义。
【具体实施方式】 [0027] 二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，步骤一所述获取缩聚后的桥梁结构有限元模型的具体过程为：
[0028] 步骤一一、设桥梁结构含有η个自由度，其特征方程表示为：
【权利要求】
1. 基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法，其特征在于，该方法 的具体过程为： 步骤一：利用超单元技术对桥梁结构初始有限元模型进行缩聚，获取缩聚后的桥梁结 构有限元模型； 步骤二：根据步骤一获取的桥梁结构有限元缩聚模型，结合虚拟变形法建立桥梁结构 有限元模型的代理模型； 步骤三：根据步骤二获取的桥梁结构有限元模型的代理模型，进行基于静力信息的桥 梁结构有限元模型修正。
2. 根据权利要求1所述基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法， 其特征在于，步骤一所述获取缩聚后的桥梁结构有限元模型的具体过程为： 步骤一一、设桥梁结构含有η个自由度，其特征方程表示为：
3.根据权利要求1所述基于超单元结合虚拟变形法的桥梁静力有限元模型修正方法， 其特征在于，步骤二所述建立桥梁结构有限元模型的代理模型的具体过程为： 步骤二一、对空间梁单元的刚度矩阵进行特征值分析，获取空间梁单元的六种变形形
步骤二二、对桥梁结构的一个单元施加单位广义应变，其等价形式是在单元上施加一 对大小相等、方向相反的自平衡力，由公式（7)计算出产生单位应变后节点位移的大小，从 而利用单元刚度矩阵获取各自由度上施加的力的大小，在这一对平衡力作用下计算出桥梁 结构各单元的广义应变和节点位移，分别作为应变影响矩阵和位移影响矩阵的一列；对于 由η个单元、m个节点组成的桥梁结构体系，依次对结构进行3η次有限元分析，得到其广义 应变影响矩阵D的维数为3ηΧ3η，位移影响矩阵Β的维数为3mX3n ; 步骤二三、虚拟变形法计算过程中涉及到两种结构分别是修正结构和变形机构，虚拟 变形法的前提是假设修正结构与受外荷载作用的变形结构的变形和内力大小完全一致，若 在单元i上施加虚拟变形则前提假设表示为：
【文档编号】G06F17/50GK104091033SQ201410360183
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】刘洋, 马俊, 聂珏光, 张绍逸, 杨昌熙 申请人:哈尔滨工业大学