CN110516297A - 基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，包括以下步骤：通过长标距传感器测得桥梁的长标距应变动态时程响应；将应变响应进行滤波处理，得到桥梁长标距拟静态响应；将长标距拟静态响应代入损伤识别方法，识别处桥梁损伤所在位置；建立初始多尺度有限元分析模型；计算模型的长标距应变动态时程响应；以模型计算的响应与实测的响应差构建目标函数；用遗传算法对目标函数对有限元模型进行优化，优化的参数为桥梁的抗弯刚度分布；当目标函数值收敛时，则模型修正过程结束。本发明可以有效准确快速完成有限元模型修正，降低模型修正时间，提升效率。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁模型修正方法，具体涉及一种基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法。
背景技术
桥梁工程在上部车辆荷载、环境侵蚀及意外灾害作用下，其性能会逐步下降，达不到设计需求，可能会发生安全事故，造成人员和财产损失。为了对桥梁进行及时评估维护，保障上部通行人员和车辆安全，需要对桥梁进行及时检修。目前最有效的方法是通过有限元模型修正手段来实现对桥梁性能评估。有限元方法是一种有效的模拟手段，可以准确计算出结构的各项响应。但有限元模型在计算时由于采用了诸多假定，同时一些材料、几何参数仅由设计决定，与实际结构工作状况并不符合，由此得到的模拟结果并不能真实反映结构的实际状态。而经过有限元模型修正技术则可以利用现场实测数据有效消除上述各项误差，得到精确的有限元模型，可以用来对结构性能状态进行有效评估。
目前，许多学者已经开发出很多模型修正方法，但模型修正计算量大、计算时间长，在实际应用中效率太低，无法快速实时对桥梁进行评估。同时，一般模型修正方法中的目标函数基本由结构频域信息，主要包括固有频率、结构模态等。这些参数对结构局部性能参数并不敏感，修正后的模型难以精确反应结构真实状况。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，解决计算时间长，效率低，难以精确反应桥梁结构真实状况的问题。
技术方案：本发明所述的基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过长标距传感器测得桥梁的长标距应变动态时程响应；
(2)将测得的长标距应变动态时程响应进行滤波处理，得到桥梁长标距拟静态响应；
(3)将各个传感器的长标距拟静态响应的极值点连成线，极值点连线凸起处即为桥梁损伤所在位置；
(4)基于损伤识别的结果建立初始多尺度有限元分析模型，在识别存在损伤处由精细的实体单元建模，在结构完好部分则由抽象的梁单元建模，在两种单元的界面处将相关自由度进行绑定；
(5)随机采样模型初始参数值，用显式动力学算法计算模型的长标距应变动态时程响应；
(6)以模型计算的响应与实测的响应差构建目标函数，来量化当前模型和真实结构模型间的差距；
(7)用遗传算法不断尝试改变模型参数以降低目标函数值，缩小模型和真实结构间的差别，完成有限元模型的优化；
(8)当目标函数值不收敛时重复步骤7)，收敛时，则模型修正过程结束。
其中，所述步骤(1)中在测量时，测量的采样频率应大于等于两倍桥梁一阶自振频率。
所述步骤(2)中在进行滤波处理时，滤波的截断频率应取为桥梁的一阶频率。
所述步骤(6)中目标函数具体形式为
其中，n代表总传感器数量，T为测得的响应时程长度，为有限元模型模拟和实测得到的第i个传感器长标距拟静态响应值。
所述步骤(4)相关自由度绑定具体为：将连接节点的水平设置为相同，同时实体单元界面上下各节点水平位移设置如下式约束关系：
(uxi-uxj)/hij＝θ
其中uxi,uxj为截面上下任意两节点i,j处的水平节点位移，hij为两节点间竖向距离，θ为梁单元节点转角位移。
有益效果：本发明结合数值模拟、试验和优化技术，利用损伤识别方法预先判断损伤位置，进行多尺度有限元建模，降低了有限元模型维度，在保证精度的前提下提升计算效率，同时又将长标距应变信息引入目标函数，提高模型修正准确度，为桥梁损伤评估提供帮助。
附图说明
图1是本发明的过程示意图；
图2是受损桥梁示意图；
图3是桥梁损伤识别的过程示意图；
图4是多尺度有限元模型图；
图5是目标函数的收敛过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，对于一受损桥梁如图2所示，开展有限元模型修正包括以下实施步骤，如图1所示：
(1)通过长标距传感器测得桥梁的长标距应变动态时程响应，在测量时，测量的采样频率应大于等于两倍桥梁一阶自振频率。
(2)将长标距应变动态时程响应进行滤波处理，得到桥梁长标距拟静态响应，在进行滤波处理时，滤波的截断频率应取为桥梁的一阶频率，以获得桥梁长标距拟静态响应。
(3)将长标距拟静态响应代入损伤识别方法，识别处桥梁损伤所在位置。其中采用的损伤识别算法为将计算各个传感器测得拟静态响应的极值点连成线，极值点连线突起处即为损伤所在位置，如图3所示，损伤发生在第四个传感器内。
(4)基于损伤识别的结果建立初始多尺度有限元分析模型，在识别存在损伤处由精细的实体单元建模，在结构完好部分则由抽象的梁单元建模，在两种单元的界面处将相关自由度进行绑定，相关自由度绑定具体为：将连接节点的水平设置为相同，同时实体单元界面上下各节点水平位移设置如下式约束关系：
(uxi-uxj)/hij＝θ
其中uxi,uxj为截面上下任意两节点i,j处的水平节点位移，hij为两节点间竖向距离，θ为梁单元节点转角位移。如图4建立的多尺度有限元模型。
(5)随机采样模型初始参数值，用显式动力学算法计算模型的长标距应变动态时程响应；
(6)以模型计算的响应与实测的响应差构建目标函数，具体形式为
其中n代表总传感器数量，T为测得的响应时程长度，为有限元模型模拟和实测得到的第i个传感器长标距拟静态响应值。
(7)用遗传算法对目标函数对有限元模型进行优化，即不断尝试改变模型参数以降低目标函数值，缩小模型和真实结构间的差别，优化参数为各个标距下桥梁的抗弯刚度，每个标距内参数一致，标距之间参数保持独立，具体为：
[(EI)1 … (EI)i … (EI)n]
(8)当目标函数值不收敛时，即目标函数值大于设计的阈值时，一般为5％，重复步骤(7)，收敛时，则模型修正过程结束，收敛过程如图5所示。
Claims (5)
1.一种基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过长标距传感器测得桥梁的长标距应变动态时程响应；
(2)将测得的长标距应变动态时程响应进行滤波处理，得到桥梁长标距拟静态响应；
(3)将各个传感器的长标距拟静态响应的极值点连成线，极值点连线凸起处即为桥梁损伤所在位置；
(4)基于损伤识别的结果建立初始多尺度有限元分析模型，在识别存在损伤处由精细的实体单元建模，在结构完好部分则由抽象的梁单元建模，在两种单元的界面处将相关自由度进行绑定；
(5)随机采样模型初始参数值，用显式动力学算法计算模型的长标距应变动态时程响应；
(6)以模型计算的响应与实测的响应差构建目标函数，来量化当前模型和真实结构模型间的差距；
(7)用遗传算法不断尝试改变模型参数以降低目标函数值，缩小模型和真实结构间的差别，完成有限元模型的优化；
(8)当目标函数值不收敛时，重复步骤(7)，收敛时，则模型修正过程结束。
2.根据权利要求1所述的基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，所述步骤(1)中在测量时，测量的采样频率应大于等于两倍桥梁一阶自振频率。
3.根据权利要求1所述的基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，所述步骤(2)中在进行滤波处理时，滤波的截断频率应取为桥梁的一阶频率。
4.根据权利要求1所述的基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，所述步骤(6)中目标函数具体形式为
其中，n代表总传感器数量，T为测得的响应时程长度，为有限元模型模拟和实测得到的第i个传感器长标距拟静态响应值，t表示时间。
5.根据权利要求1所述的基于长标距时频域信息的多尺度有限元模型修正方法，其特征在于，所述步骤(4)相关自由度绑定具体为：将连接节点的水平设置为相同，同时实体单元界面上下各节点水平位移设置如下式约束关系：
(uxi-uxj)/hij＝θ
其中uxi,uxj为截面上下任意两节点i,j处的水平节点位移，hij为两节点间竖向距离，θ为梁单元节点转角位移。
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