基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法
【專利摘要】基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，涉及一種靜力信息的實際運營橋梁結構的有限元模型修正方法，本發明為解決現有橋梁結構有限元模型修正效率低，無法滿足大型復雜橋梁有限元模型修正的問題。本發明所述修正方法的具體過程為：利用超單元技術對橋梁結構初始有限元模型進行縮聚，獲取縮聚后的橋梁結構有限元模型；結合虛擬變形法建立橋梁結構有限元模型的代理模型；進行基于靜力信息的橋梁結構有限元模型修正。本發明用于解決基于靜力信息的實際運營橋梁結構有限元模型修正問題。
【專利說明】基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方 法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種靜力信息的實際運營橋梁結構的有限元模型修正方法。
【背景技術】
[0002] 橋梁結構是連接公路的重要樞紐，其結構的安全性對保障公路交通的安全與暢通 舉足輕重。有效、準確地評定橋梁結構的承載能力是保障橋梁運營安全的重要手段，而橋梁 承載能力的評定往往依靠一個能反映橋梁實際運營狀況的精確基準有限元模型，基于靜力 測試信息的橋梁有限元模型修正則是建立該基準模型的有效方法。
[0003] 基于靜力信息的橋梁結構有限元模型修正方法具有如下優點：模型修正結果不受 結構阻尼及質量信息的影響、測試結果信噪比較高、容易構造模型修正的超定優化問題等。 但是，對于實際橋梁結構而言，其結構體型巨大、自由度數量趨于無限，而且結構有限元模 型修正的優化問題求解往往需要大量的迭代運算，因此，如何解決大型復雜橋梁有限元模 型修正的計算效率問題仍然是一個具有挑戰性的課題。
【發明內容】
[0004] 本發明目的是為了解決現有橋梁結構有限元模型修正效率低，無法滿足大型復雜 橋梁有限元模型修正的問題，提供了一種基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模 型修正方法。
[0005] 本發明所述基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，該方法 的具體過程為：
[0006] 步驟一：利用超單元技術對橋梁結構初始有限元模型進行縮聚，獲取縮聚后的橋 梁結構有限元模型；
[0007] 步驟二：根據步驟一獲取的橋梁結構有限元縮聚模型，結合虛擬變形法建立橋梁 結構有限元模型的代理模型；
[0008] 步驟三：根據步驟二獲取的橋梁結構有限元模型的代理模型，進行基于靜力信息 的橋梁結構有限元模型修正。
[0009] 本發明的優點：
[0010] 第一，采用超單元技術能夠縮減橋梁結構初始有限元模型的規模；
[0011] 第二，利用虛擬變形法能夠建立大型復雜橋梁結構有限元模型的代理模型；
[0012] 第三，該模型能夠求解基于靜力信息的橋梁有限元模型修正優化問題的迭代運 算。
[0013] 本發明所述基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法能夠 大幅提高基于靜力信息的大型復雜橋梁結構有限元模型修正的計算效率，效率可以提高 10?20倍，同時還能夠保證有限元模型修正的計算精度，代理模型與計算模型相對計算誤 差小于0. 1%，本發明適用于解決基于靜力信息的實際運營橋梁結構有限元模型修正問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明所述基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法 的流程框圖；
[0015] 圖2是目標函數的迭代收斂曲線，曲線1代表工況1，曲線2代表工況2,曲線3代 表工況3,曲線4代表工況4 ;
[0016] 圖3是修正參數的迭代收斂曲線；
[0017] 圖4是三跨連續橋梁的結構示意圖；
[0018] 圖5是主梁橫斷面圖；
[0019] 圖6是靜載試驗過程中加載車輛輪距的平面布置圖；
[0020] 圖7是94#_95#橋墩對稱加載布置圖；
[0021] 圖8是【具體實施方式】三中步驟二一中所述的空間梁單元的變形形式，a表示軸向 變形，b表示彎曲和堅向變形，c表示彎曲和堅向變形，d表示彎曲變形，e表示扭曲變形，f 表示彎曲變形。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0022] 一：下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基于超單元結 合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，該方法的具體過程為：
[0023] 步驟一：利用超單元技術對橋梁結構初始有限元模型進行縮聚，獲取縮聚后的橋 梁結構有限元模型；
[0024] 步驟二：根據步驟一獲取的橋梁結構有限元縮聚模型，結合虛擬變形法建立橋梁 結構有限元模型的代理模型；
[0025] 步驟三：根據步驟二獲取的橋梁結構有限元模型的代理模型，進行基于靜力信息 的橋梁結構有限元模型修正。
[0026] 本實施方式中，所述虛擬變形法是一種快速結構重分析方法，只需要利用結構的 影響矩陣和初始有限元模型的計算結果就能夠快速地計算出參數改變后的結構響應，利用 這一思想可有效建立橋梁結構有限元靜力分析的代理模型，從而提高提高橋梁有限元模型 修正的計算效率。但是，虛擬變形法中的影響矩陣的維數是制約有限模型修正計算效率的 關鍵問題，而該維數與橋梁結構初始有限元模型的有限單元數量相關，因此，采用超單元技 術對橋梁初始有限元模型進行縮聚，從而解決了虛擬變形法中影響矩陣的降維問題。因此， 提出基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法具有重要意義。
【具體實施方式】 [0027] 二：下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進 一步說明，步驟一所述獲取縮聚后的橋梁結構有限元模型的具體過程為：
[0028] 步驟一一、設橋梁結構含有η個自由度，其特征方程表示為：
【權利要求】
1. 基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法，其特征在于，該方法 的具體過程為： 步驟一：利用超單元技術對橋梁結構初始有限元模型進行縮聚，獲取縮聚后的橋梁結 構有限元模型； 步驟二：根據步驟一獲取的橋梁結構有限元縮聚模型，結合虛擬變形法建立橋梁結構 有限元模型的代理模型； 步驟三：根據步驟二獲取的橋梁結構有限元模型的代理模型，進行基于靜力信息的橋 梁結構有限元模型修正。
2. 根據權利要求1所述基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法， 其特征在于，步驟一所述獲取縮聚后的橋梁結構有限元模型的具體過程為： 步驟一一、設橋梁結構含有η個自由度，其特征方程表示為：
3.根據權利要求1所述基于超單元結合虛擬變形法的橋梁靜力有限元模型修正方法， 其特征在于，步驟二所述建立橋梁結構有限元模型的代理模型的具體過程為： 步驟二一、對空間梁單元的剛度矩陣進行特征值分析，獲取空間梁單元的六種變形形
步驟二二、對橋梁結構的一個單元施加單位廣義應變，其等價形式是在單元上施加一 對大小相等、方向相反的自平衡力，由公式（7)計算出產生單位應變后節點位移的大小，從 而利用單元剛度矩陣獲取各自由度上施加的力的大小，在這一對平衡力作用下計算出橋梁 結構各單元的廣義應變和節點位移，分別作為應變影響矩陣和位移影響矩陣的一列；對于 由η個單元、m個節點組成的橋梁結構體系，依次對結構進行3η次有限元分析，得到其廣義 應變影響矩陣D的維數為3ηΧ3η，位移影響矩陣Β的維數為3mX3n ; 步驟二三、虛擬變形法計算過程中涉及到兩種結構分別是修正結構和變形機構，虛擬 變形法的前提是假設修正結構與受外荷載作用的變形結構的變形和內力大小完全一致，若 在單元i上施加虛擬變形則前提假設表示為：
【文檔編號】G06F17/50GK104091033SQ201410360183
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】劉洋, 馬俊, 聶玨光, 張紹逸, 楊昌熙 申請人:哈爾濱工業大學