桥梁有限元模型的修正方法
【专利摘要】本发明公开了一种桥梁有限元模型的修正方法，包括以下步骤：S1，通过通用有限元计算软件ANSYS建立全桥的实体有限元模型；S2，采用均匀设计法对该全桥的实体有限元模型进行一次修正。本发明具有以下优点：均匀设计方法作为一种优越性明显的试验优化设计方法，运用于桥梁结构有限元模型修正上是可行的；基于均匀设计方法从效率上来讲它可以利用较短的时间找到一个比较正确的结果，提高了桥梁大型有限元模型修正的效率；响应面方法作为一种试验设计与数理统计相结合的数学分析方法，运用于大型复杂桥梁结构的有限元模型修正中是可行的；可以同时保证较高的修正效率和修正精度。
【专利说明】桥梁有限元模型的修正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种桥梁有限元模型的修正方法，属于桥梁有限元模型修正【技术领域】。
【背景技术】
[0002]桥梁作为交通运输的关键点，在我们的日常生活中承担着极其重要的角色。正是因为一座座桥梁的存在，使得全国的公路以及铁路运输网得以贯通，构成了四通八达交通运输系统，桥梁对于城市交通的重要性也与日俱增。近几年随着我国经济的飞速发展，我们国家在桥梁建设方面取得了巨大的成就，同时，桥梁工程又是关系到人民生命财产安全的工程，因此桥梁的健康情况需高度重视。但是，随着桥梁服役期的增长，桥梁自身的内部机构、材料都会慢慢的发生变化，致使桥梁的承载能力降低。当这些的损伤积累到一定程度时，桥梁就可能发生事故。桥梁一旦发生重大事故，将会造成难以预估的损失。
[0003]面对桥梁坍塌所带来的巨大损失，除了在桥梁的设计和施工时多加重视，桥梁的损伤预警也越来越受到关注。因为若能够使得桥梁预警起到重要的作用，不仅能够避免人员的伤亡，还能够对桥梁的损伤及时修复，避免等到桥梁严重受损时修复所花费的巨大资金，如美国现有的桥梁中因为结构缺损或者陈旧急需修复所需资金大约有700亿美元，我国每年也需要在桥梁维护中花费38亿元才能使得桥梁正常工作。因此，利用桥梁有限元模型对桥梁的性能进行评估同时对特定荷载工况下的响应值进行预测并及时进行损伤预警，就能够确保桥梁的安全使用，以减少不必要的损失，而桥梁有限元模型精度的高低决定了其是否可以实现上述目的。
[0004]现有的模型修正技术主要分为两大类:一种是针对已建立的有限元模型结构进行局部的优化修正，一种是针对有限元模型的参数进行修正。前者主要是针对关键位置的有限元模型进行网格再划分，增加关键部位的网格数量，这样会增加有限元分析时的计算时间，如果建模过程中是严格按照桥梁的设计图纸进行的，这种修正方法的修正效果不是很明显。针对模型参数进行修正时分为基于动力信息(如桥梁结构的频率、振兴等)和静力信息(如桥梁结构的位移和应变等)的修正。在过去近20年里，依据振动模态分析为核心的结构动态测试技术相当成熟，基于动力信息的动力有限元模型修正技术成为了国内为研究的热点，然而这种修正技术有其局限性:动力信息数据容易受噪声影响，经过动力信息修正的模型无法进行结构的静力分析。因而用静力信息对模型进行修正显得尤为重要。
[0005]《土木工程报，2008(12):73_78》公开了一种基于响应面的桥梁有限元模型修正方法；《振动.测试与诊断》2012年02期公开了一种基于MIGA的结构模型修正及其应用方法，二者采用响应面法分别将试验设计和回归分析方法以及多岛遗传算法(MIGA)应用到有限元模型中，对桥梁结构进行分析，但是其存在的缺点是:对于大型复杂的系统来说，精度一般，而且计算量比较大。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公开了一种桥梁的多响应无损检测技术的有限元分析方法，其将基于多响应数据结构损伤局部化的损伤指数作为最终的损害结果，该参数估计方法可用于多种数据类型，但是该方法也并不涉及针对静力数据对初始有限元模型进行修正的内容，因此还需要进行进一步的探索。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种桥梁有限元模型的修正方法，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是现有的桥梁有限元模型修正方法的修正效率和修正精度较低的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案:一种桥梁有限元模型的修正方法，包括以下步骤:
[0008]SI，通过通用有限元计算软件ANSYS建立全桥的实体有限元模型；
[0009]S2，采用均匀设计法对该全桥的实体有限元模型进行一次修正。
[0010]优选的，步骤S2所述的采用均匀设计法对该全桥的实体有限元模型进行一次修正具体包括:
[0011]XI,选取目标函数Q(X)和待修正的参数变量x(如m个)；
[0012]X2，将每个参数变量的取值划分为η个水平(所述水平的个数η根据工程要求的精度来确定)；
[0013]Χ3，根据均匀设计表及其使用表选取参数水平组合进行试验(每次试验即为一次有限元模型计算)；
[0014]Χ4，将每次试验得到的静力数据与实测静力数据带入目标函数和误差指标函数中即得每次试验的结果；
[0015]Χ5，比较各个试验结果，得目标函数与误差指标函数最小时的参数水平，基于此参数水平的有限元模型(即试验)即一次修正后的基准有限元模型。
[0016]步骤Χ3中，所述的均匀设计表包括列号和实验号，在每个因素上面只做一次实验，比如本发明中提到的，只在弹性模量、密度、泊松比这三个因素上面，一个测量点只做一次实验。而使用表中，则加入了偏差D，D的值越小表示均匀度越好，另外，在使用表中，还包含因素数、列号。此因素数和列号是和设计表所对应的，本发明中的因素数为3。然后，利用相关构造表的算法和准则，包括化简的方法对表格进行处理。所述的均匀设计表及其使用表中的数值，是由传感器传输过来的数据进行选择的，一组传感器传来的一批数据看作是一次实验，且根据试验研究，均匀设计法的实验次数，选取因素数的3~5倍为最佳。
[0017]本发明步骤Xl所述的目标函数Q(X)具体为:
【权利要求】
1.一种桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，包括以下步骤: SI，建立全桥的实体有限元模型； S2，采用均匀设计法对该全桥的实体有限元模型进行一次修正。
2.根据权利要求1所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步骤S2所述的采用均匀设计法对该全桥的实体有限元模型进行一次修正具体包括: XI，选取目标函数Q(X)和待修正的m个参数变量X ; X2，将每个参数变量的取值划分为η个水平； Χ3，根据均匀设计表及其使用表选取参数水平组合进行试验； Χ4，将每次试验得到的静力数据与实测静力数据带入目标函数和误差指标函数中即得每次试验的结果； Χ5，比较各个试验结果，得目标函数与误差指标函数最小时的参数水平，基于此参数水平的有限元模型即一次修正后的基准有限元模型。
3.根据权利要求2所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步骤Xl所述的目标函数Q(x)为: λ, 、 m(^O—右1— Ω(χ)=ΣΥ?(^^^)■
Si 其中，Q(x)为目标函数，ri为权重系数，ε i⑴为第i点的应变值，Ci为i个应变的平均值。
4.根据权利要求3所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步骤Xl所述的误差指标函数为: 单个测点数据的误差率: F(Xi)=^CliL
Xf I 所有测点数据的平均误差率:
I ?
1.u , I γ 一.γ P{x)=Ijp^L ;
叫X1 式中，Xi> X,分别为有限元模型计算得到的测点数据和现场实测得到的测点数据。
5.根据权利要求1或2所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的均匀设计法的实验次数为因素数的3?5倍。
6.根据权利要求1?5任一所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，还包括以下步骤: S3，利用均匀设计法选取试验点生成响应面，采用响应面法对该全桥的实体有限元模型进行二次修正。
7.根据权利要求6所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，步骤S3中所述的利用均匀设计法选取试验点生成响应面，采用响应面法对该全桥的实体有限元模型进行二次修正具体包括: a,通过均匀设计表获得桥梁随机参数变量X的ns个样本点，通过均匀设计试验即得响应面目标函数Y的样本点数值，Y = Iy1, y2,...，ynJ ； b，利用参数变量X和目标函数Y的样本点数值回归分析得待定因子的最小二乘估计值，进而获得响应面函数； c,对响应面函数进行优化，得响应面目标函数与误差指标函数最小时的参数变量取值，基于此参数变量的结构有限元模型即为桥梁二次修正后的有限元模型。
8.根据权利要求7所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，所述的参数变量X=[E，P，μ ]，其中，E为混凝土弹性模量，P为混凝土密度，μ为泊松比。
9.根据权利要求6?8任一所述的桥梁有限元模型的修正方法，其特征在于，还包括:S4，依据修正后的模型，判断其获得的应力损失量或弹性模量损失量是否达到设定的预警值。
【文档编号】G06F17/50GK104133959SQ201410363631
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】吴朝霞, 王立夫, 胡立朋, 邵元隆, 李俞呈, 樊红 申请人:东北大学