基于環(huán)境激勵(lì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元模型修正研究.pdf

1、有限元模型修正對(duì)象、優(yōu)化目標(biāo)以及約束條件的不同,決定了特定的有限元模型修正方法只適應(yīng)于特定的問(wèn)題。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型修正,必須考慮橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。但是,橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性一般由現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)測(cè)試確定,在正常工作條件下,風(fēng)、車(chē)輛、行人等是一種自然的環(huán)境激勵(lì)方式。直接利用環(huán)境激勵(lì)下橋梁的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,具有明顯的優(yōu)點(diǎn):不需額外的人工激勵(lì),不必中斷交通,更符合實(shí)際的邊界條件與工作狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)等。因此基于環(huán)境激勵(lì)的橋

2、梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元模型修正研究具有重要的意義。
　　基于環(huán)境激勵(lì)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元模型修正方法研究,盡管已有許多處理方法和研究成果,但還有許多關(guān)鍵問(wèn)題或難點(diǎn)沒(méi)有得到很好地解決。本論文就是基于這樣的背景,在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.50378041, No.50608036)資助下,旨在對(duì)處于工作環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析模型進(jìn)行修正,使其與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)測(cè)試結(jié)果盡可能地接近,提出并最終建立基于自然的環(huán)境激勵(lì)、適用于橋梁結(jié)構(gòu)的有限元

3、模型修正實(shí)用方法。重點(diǎn)研究了目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建,修正參數(shù)的選擇和實(shí)用的優(yōu)化算法,研究結(jié)果可廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、健康監(jiān)測(cè)以及承載力評(píng)定,具有較大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　本論文在如下幾方面進(jìn)行了理論、數(shù)值與試驗(yàn)研究,并取得了一些研究成果:
　　1)詳細(xì)討論了基于環(huán)境激勵(lì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元模型修正所涉及到的各個(gè)方面和技術(shù),如有限元建模、環(huán)境振動(dòng)測(cè)試和模態(tài)參數(shù)識(shí)別等。重點(diǎn)介紹了各種評(píng)判理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)程度的方法、

4、有限元模型的縮聚方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)的擴(kuò)展方法等。最后介紹了基于MATLAB開(kāi)發(fā)的有限元模態(tài)分析工具箱MATBM,并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)支梁的仿真實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　2)有限元模型修正過(guò)程中存在三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:目標(biāo)函數(shù)的確定、修正參數(shù)的選擇和實(shí)用的優(yōu)化算法,目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建是其中最關(guān)鍵步驟之一。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)支梁的仿真實(shí)例表明,在基于動(dòng)力的目標(biāo)函數(shù)中,聯(lián)合頻率、振型和模態(tài)柔度的目標(biāo)函數(shù)比單獨(dú)運(yùn)用頻率、振型或模態(tài)柔度的目標(biāo)函數(shù)有更好的模型修正效果,而且在

5、聯(lián)合頻率、振型和模態(tài)柔度的目標(biāo)函數(shù)中,頻率殘差取較大權(quán)重系數(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的修正效果最好。
　　3)有限元模型修正的成功與否,修正參數(shù)(比如物理參數(shù)、子結(jié)構(gòu)參數(shù))的選擇至關(guān)重要。從模態(tài)參數(shù)識(shí)別的角度來(lái)說(shuō),需要修正參數(shù)的微小變化能導(dǎo)致模態(tài)數(shù)據(jù)有顯著的變化,也就是說(shuō),用以構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的理論分析結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異應(yīng)該是修正參數(shù)的敏感函數(shù)。否則,修正的參數(shù)有時(shí)需要嚴(yán)重偏離它們的初始值,才能達(dá)到可接受的對(duì)應(yīng)關(guān)系,參數(shù)會(huì)失去其物理基礎(chǔ)。同

6、時(shí)為了避免數(shù)值計(jì)算出現(xiàn)病態(tài),修正參數(shù)的數(shù)量應(yīng)該盡可能少。因而,選擇參數(shù)時(shí)需要透徹了解目標(biāo)結(jié)構(gòu)的物理意義。通過(guò)實(shí)例研究,本文建立了基于靈敏度分析和工程經(jīng)驗(yàn)選擇修正參數(shù)的過(guò)程。
　　4)建立了十里河大橋的有限元模型,在靈敏度分析和優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上,以橋梁在環(huán)境激勵(lì)作用下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)橋梁的有限元模型進(jìn)行了修正?？偟膩?lái)說(shuō),基于動(dòng)力響應(yīng)的修正結(jié)果是比較合理的。修正結(jié)果表明,該修正方法簡(jiǎn)單、有效,修正后的有限元模型能更好地反映橋梁的動(dòng)

7、力特性,為后期的損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè)服務(wù)。
　　5)為了解決橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的傳感器優(yōu)化布置問(wèn)題,提出了一種基于二重結(jié)構(gòu)編碼遺傳算法的傳感器優(yōu)化布置方法。該法克服了傳統(tǒng)遺傳算法收斂速度慢且易陷入局部最優(yōu)的缺陷,大大加快了收斂速度,并確保能搜索到全局最優(yōu)解。最后通過(guò)一個(gè)橋梁工程的實(shí)例分析,證明了該法在搜索能力、計(jì)算效率和可靠性方面均明顯優(yōu)于序列法,可廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。
　　6)首先改進(jìn)了編碼方法,采用二重結(jié)構(gòu)編碼進(jìn)行