大跨斜拉桥有限元模型修正的数值模拟与实验研究

论文摘要

建立精确的基准有限元模型是桥梁结构健康监测系统中安全评定模块的重要内容。由于施工中误差、材料参数的不确定性、边界条件的不恰当模拟或简化以及有限元模型固有的离散误差等原因造成的差别使得结构有限元模型和实际结构之间存在着偏差,模型修正则是以试验得到的结构振动响应为基准来修改有限元模型的刚度、质量矩阵,可以在一定程度上使有限元模型逼近真实结构。针对哈尔滨工业大学深圳研究生院土木工程学科部建立的滨州黄河公路斜拉桥实验室模型,相关研究人员已经初步建立了该模型的有限元模型,本文在此基础上借助模型实测振动响应,利用通用商业有限元软件ANSYS实现了对有限元模型的修正工作。本文充分利用ANSYS内置的优化算法,寻找各种算法最优的组合次序,数值模拟及实验研究都表明,修正后的模型振动响应更逼近实测振动响应。本文主要研究内容包括:1) ANSYS内置优化方法的选用及其组合次序。本文着重利用ANSYS内置的优化算法进行模型修正,在这些算法中,单一的一种方法比较难以收敛到全局最优解,如何将这些方法以比较合理的次序组合起来,以期达到很好的修正结果,是本文研究的重点。经过反复的试算对比,研究结果证实,首先利用随机搜索方法、子问题法求得全局最优解的大致位置,再辅以两次扫描运算,最后经过一阶方法的精细求解,可以较好地收敛到全局最优解。2)大跨斜拉桥模型修正参数的选取。大跨斜拉桥作为一种比较新颖的桥梁结构形式,随着跨度的增大,具有刚度小,桥面板均匀轻巧的特点。这种特点也决定了其自身的振动响应有别于其他桥梁。所以,考察大跨斜拉桥结构的各种参数或约束对其振动响应的影响也是本文的重点之一。只有通过这样的考察研究,我们才能选取比较适当的修正参数开始模型修正的过程。3)文章最后利用数值模拟部分得到的结论,针对实验室斜拉桥模型展开了模型修正,结果显示,修正后的有限元模型振动响应能够更好地吻合实测响应。但是,由于实际结构的复杂性和部分参数的欠敏感性,导致部分参数的优化不够理想。利用ANSYS内置优化算法进行模型修正的相关研究还比较少见,综合利用ANSYS中多种优化算法进行模型修正的研究更是稀少。本方法可以保证用户在ANSYS内部实现模型的建立和修正过程,思路清晰,步骤简便,对模型修正和结构优化设计方面的研究者具有相当的价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和来源
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外相关技术发展现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 斜拉桥基于ANSYS 内置优化模块的有限元模型修正方法
• 2.1 引言
• 2.2 ANSYS 内置优化方法和工具
• 2.2.1 优化设计的基本知识
• 2.2.2 优化算法和工具
• 2.3 斜拉桥结构有限元模型修正参数的选择
• 2.4 优化目标函数
• 2.4.1 基于模态频率的目标函数
• 2.4.2 基于模态振型MAC 的目标函数
• 2.4.3 联合目标函数
• 2.5 本章小结
• 第3章 斜拉桥有限元模型修正的数值模拟与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 滨州黄河大桥工程概况
• 3.3 滨州黄河大桥实验室模型
• 3.4 斜拉桥有限元模型修正的数值模拟
• 3.4.1 斜拉桥实验室模型的有限元建模
• 3.4.2 斜拉桥有限元模型振动模态分析
• 3.4.3 斜拉桥有限元模型修正的数值模拟结果
• 3.5 斜拉桥有限元模型修正的实验研究
• 3.5.1 斜拉桥实验室模型模态试验结果
• 3.5.2 随机搜索方法和子问题法结合求解
• 3.5.3 第一次扫描法结果
• 3.5.4 第二次扫描法结果
• 3.5.5 一阶方法求解
• 3.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢