CN113312812B - 一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，包括以下步骤：冷成型钢构件初始几何缺陷表征；真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量；模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：表征的初始几何缺陷体现了辊弯成型工艺构件的缺陷规律，使得对冷成型钢构件屈曲承载力预测更加准确，从而保证结构分析的正确性。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，特别是设计一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法。
背景技术
冷成型钢构件具有壁厚小、宽厚比大的特点，容易发生屈曲失稳，且其屈曲模式呈现多样性。一般冷成型钢构件的屈曲可分为板件的局部屈曲、畸变屈曲和构件的整体屈曲三种。在冷成型钢结构设计时，由于屈曲的影响，构件的实际承载力会低于根据材料强度和截面面积计算出的承载力，故需要对构件进行屈曲分析得到构件的屈曲承载力，以保证结构设计的可靠性。在屈曲分析中，需要引入冷成型钢构件初始几何缺陷。合理的冷成型钢构件初始几何缺陷引入对后续屈曲分析的结果影响很大，对冷成型钢结构的设计至关重要。目前常将冷成型钢构件的一阶屈曲模态作为其初始几何缺陷引入，但此种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法与实际构件的初始几何缺陷无关，引入的初始几何缺陷不能表征实际构件的缺陷特征，进一步导致屈曲分析结果不准，影响结构分析的可靠性，为冷成型钢结构设计工作带来困难。
发明内容
本发明提供一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，包括以下步骤：
冷成型钢构件初始几何缺陷表征；
真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量；
模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成。
可选地，冷成型钢构件初始几何缺陷表征，使用冷成型钢构件基本屈曲模态，结合傅里叶变换方法将冷成型钢构件的初始几何缺陷用构件缺陷谱描述。
可选地，真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量，通过光学测量技术获得高精度、全场化的冷成型钢构件表面形态点云，通过ICP算法、点云切片算法、截面提取算法、缺陷计算算法获得实测构件的缺陷谱，并通过统计分析及分布检验确定实测构件缺陷谱的随机分布种类和相应统计参数，对各缺陷模态各频率的缺陷幅值统计得到均值及方差，建立该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型。
可选地，模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成，根据该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型，生成具有相同随机分布的模拟冷成型钢构件缺陷谱幅值，根据缺陷谱计算模拟冷成型钢构件点云，通过点云重建算法生成具有随机初始几何缺陷的模拟冷成型钢构件几何模型。
本发明的优点是：本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，能够通过少数的各模态缺陷幅值描述并生成复杂缺陷；能够高精度、高效率、自动化地提取实际构件初始几何缺陷，节省大量人力，同时能够达到0.1mm级别的精度；具有高效、真实的特点，能够在短时间内基于少数的实测构件缺陷生成大量符合真实缺陷模式的初始几何缺陷样本。本发明有望取代现有的冷成型钢构件屈曲分析初始几何缺陷生成方法，进一步提高冷成型钢构件屈曲分析精度和结构分析的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法流程示意图。
图2是本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法对实测构件点云经ICP算法配准的结果。
图3是本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法对实测构件点云切片拟合截面的结果。
图4是本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法对实测构件某截面初始几何缺陷经遗传算法拟合的结果。
图5是本发明的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法生成的具有随机初始几何缺陷的模拟构件模型。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明为一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，包括以下步骤：冷成型钢构件初始几何缺陷表征；
真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量；
模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成。
具体而言，如图1所示，本实施例所述的冷成型钢构件初始几何缺陷表征，使用冷成型钢构件基本屈曲模态，结合傅里叶变换方法将冷成型钢构件的初始几何缺陷用构件缺陷谱描述，具体方法为：
首先，提取构件的基本屈曲模态：
使用有限条软件CUFSM得到构件基本屈曲模态位移场作为基向量。
其次，使用缺陷幅值描述截面缺陷。冷成型钢构件各截面上的缺陷情况f(x,y,z)为：
其中，i为第i个缺陷模态；n为缺陷模态数；αi(z)为缺陷幅值。
最后，使用缺陷谱描述构件缺陷：
使用傅里叶变换得到缺陷幅值谱A(k)：
其中，k＝0,1,…,N-1，N为频率数；j为虚数单位；α为缺陷幅值；L为构件长度。
使用缺陷幅值谱A(k)表征冷成型钢构件初始几何缺陷在全构件截面上的分布情况。
在本实施例中，后续所有关于冷成型钢构件初始几何缺陷的描述，包括截面缺陷幅值、构件缺陷谱等概念，均建立在此冷成型钢构件初始几何缺陷表征技术的基础上。
采用本技术表征冷成型钢构件初始几何缺陷，能够同时表征冷成型钢构件初始几何缺陷的截面分布情况和轴向变化情况，能够通过少数的特征值描述相对复杂的初始几何缺陷。
具体的，如图2、3、4所示，本实施例所述的真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量，通过光学测量技术获得高精度、全场化的冷成型钢构件表面形态点云，通过ICP算法、点云切片算法、截面提取算法、缺陷计算算法获得实测构件的缺陷谱，并通过统计分析及分布检验确定实测构件缺陷谱的随机分布种类和相应统计参数，建立该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型。
首先，实测构件初始几何缺陷：
使用3D-DIC双相机成像技术对真实存在的冷成型钢构件表观形态进行采集，获得大规模的点云数据。根据标准构件模型，使用ICP算法对实测冷成型钢构件点云配准，得到图2中的柱面点云，并将配准后的点云按照构件高度切片，得到图3中的点云切片，将待求解截面上下两片内的点根据面内距离及面外距离匹配，线性插值求解待求解截面内的截面形态，得到图3中厚度中心处的实测构件截面pj，并体现为图4中的粗线，从而提取得到构件某些高度位置处的截面形态。根据标准构件截面、构件基本屈曲模态截面位移场和实测构件截面，通过定义某一组缺陷幅值αI(z)对应的缺陷截面f(x,y,z)上的特征点到实测构件截面pj上的最近点的距离平方和D，将对pj拟合、求解缺陷幅值αi(z)问题转化为最小二乘优化问题，即找到一组使D最小的缺陷幅值αi(z)，从而使用最小二乘法对截面上各基本缺陷模态位移场的幅值进行计算，如图4所示。根据实测构件各截面的基本缺陷模态幅值，通过沿构件长度方向反向延拓，将构件缺陷信号延拓为一个完整的信号周期，并对延拓后的缺陷信号使用离散傅里叶变换，即可得到真实冷成型钢构件初始几何缺陷幅值。
对实际测量得到的冷成型钢构件初始几何缺陷幅值进行统计分析和随机分布判别，即可建立该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型。采用本技术测量真实冷成型钢构件初始几何缺陷，可以实现高精度、高效率、大规模的构件初始几何缺陷提取，在高密度测量时效率能达到传统机械步进式测量的几千倍，同时除测量过程外，数据处理分析是高度集成化、自动化的，能够节省大量的人力。
进一步的，如图5所示，本实施例所述的模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成，根据该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型，生成具有相同随机分布的模拟冷成型钢构件缺陷谱幅值，根据缺陷谱计算模拟冷成型钢构件点云，通过点云重建算法生成可供分析的模拟冷成型钢构件初始几何缺陷模型文件。
根据建立的该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型的幅值分布特征，对各缺陷模态各频率的缺陷幅值统计得到均值及方差，并进行正态分布检验，如检验通过，则采用正态分布对该缺陷模态该频率的幅值进行描述；如不通过，则采用其他随机分布进行检验。根据检验结果和统计参数，随机生成相同分布的模拟幅值，构成模拟的冷成型钢构件初始几何缺陷幅值谱，对未测量生成的更高频分量进行增补得到增补后的缺陷幅值谱X(k)，并应用离散傅里叶逆变换，即可得到一组截面的各基本缺陷模态幅值xi(z)：
其中，n＝0,1,…,N-1；
再根据各基本缺陷模态位移场和标准构件截面ps，即可计算出生成的模拟构件各截面形貌pr，进一步得到模拟冷成型钢构件点云。
模拟构件各截面形貌pr为：
pr＝ps+f(x,y,z)
其中，
利用RhinoResurf插件的点云重建算法，通过点云生成网格，再通过网格建立曲面，即可将点云转换为构件模型，生成具有随机初始几何缺陷的模拟冷成型钢构件。
采用本技术生成模拟冷成型钢构件初始几何缺陷，具有高效、真实的特点，能够提高目前冷成型钢构件屈曲分析精度和结构分析的可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
冷成型钢构件初始几何缺陷表征；
真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量；
模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成；
所述的冷成型钢构件初始几何缺陷表征的方法是：使用冷成型钢构件基本屈曲模态，结合傅里叶变换方法将冷成型钢构件的初始几何缺陷用构件缺陷幅值谱描述；
描述冷成型钢构件的初始几何缺陷用的构件缺陷幅值谱A(k)为：
其中，k＝0,1,…,N-1，N为频率数；j为虚数单位；α为缺陷幅值；L为构件长度；
所述的模拟冷成型钢构件初始几何缺陷生成的方法是：
通过统计分析及分布检验确定实测构件缺陷谱的随机分布种类和相应统计参数，建立该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型；
根据该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型，生成具有相同随机分布的模拟冷成型钢构件缺陷谱幅值；
根据缺陷谱计算模拟冷成型钢构件点云，通过点云重建算法，生成具有随机初始几何缺陷的模拟冷成型钢构件；
根据该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型，生成具有相同随机分布的模拟冷成型钢构件缺陷谱幅值的方法是：
根据建立的该种构件的冷成型钢构件初始几何缺陷模型的幅值分布特征，按照各缺陷模态各频率的随机分布及参数，随机生成相同分布的模拟幅值，构成模拟的冷成型钢构件初始几何缺陷幅值谱，对未测量生成的更高频分量进行增补得到增补后的缺陷幅值谱X(k)，并应用离散傅里叶逆变换，即可得到一组截面的各基本缺陷模态幅值xi(z)：
其中，n＝0,1,…,N-1；
根据缺陷谱计算模拟冷成型钢构件点云的方法是：
根据各基本缺陷模态位移场和标准构件截面ps，计算出生成的模拟构件各截面形貌pr，进一步得到模拟冷成型钢构件点云；
模拟构件各截面形貌pr为：
pr＝ps+f(x,y,z)
其中，
2.根据权利要求1所述的一种冷成型钢构件初始几何缺陷生成方法，其特征在于：所述的真实冷成型钢构件初始几何缺陷测量的方法是：通过光学测量技术获得高精度、全场化的冷成型钢构件表面形态点云，通过ICP算法、点云切片算法、截面提取算法、缺陷计算算法获得实测构件的缺陷谱。
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