论文摘要
结构模型修正技术已成功应用于机械、航天、汽车等领域(一般称为“结构动力修改”)。土木工程结构模型修正与机械、航天、汽车等领域的动力修改基于相同理论基础和技术思路,但土木工程结构本身的复杂性导致模型修正优化问题的超规模和非线性,结构、材料和环境的不确定性和不均质性导致模型修正参数区间甚至优化目标函数具有不确定性,这些特点给土木工程结构的模型修正带来了更大困难,由其在土木工程领域中的应用仍然面临着巨大的挑战。因此,本文对土木工程结构有限元模型修正中的优化算法、不确定因素的处理和土木工程结构大规模模型修正等相关问题进行了系统的研究,具体研究内容如下:针对结构模型修正的优化问题,提出了三种优化算法。(1)利用信赖域牛顿法搜索性能的高效性,以及混沌优化算法的全局最优性,提出一种混合优化算法。该算法既克服了信赖域牛顿法容易陷入局部最优点的缺点,又解决了混沌优化算法搜索效率较低的问题。(2)分别从初始种群的确定、变步长搜索、自调节种群三方面改进了耦合局部最优法,提出了自适应耦合局部最优法,使之具备解决多变量复杂优化问题的能力。(3)在Tauchi优化方法的基础上,提出了模型修正的多目标优化算法。通过引入种群分类机制及新的信噪比函数,使得Taguchi算法具有解决多目标优化问题的能力。针对具有半刚性节点结构的模型修正问题,提出一种混合梁单元。结构模型修正时,该单元可同时考虑半刚性节点所具有的转动柔性及剪切柔性。此外,针对结构边界条件的修正问题,提出一种参数化的修正方法。将结构边界处的连接刚度转化为优化变量,通过求解优化问题实现对边界条件的修正。针对大型结构有限元模型修正问题,提出了基于模态综合技术的模型修正方法。该方法首先得到缩减后结构模型的频率与振型,并将该振型转换为缩减前模型物理坐标下的振型;然后,采用缩减后模型的频率、转换后的振型共同构成模型修正的优化目标函数,进而通过优化求解实现结构的模型修正。该方法既提高了模型修正的计算效率,又保证了计算精度,从而使采用迭代方法修正大型复杂结构的有限元模型成为可能。考虑模型修正中不确定性因素对修正结果的影响,提出了基于模糊区间分析的模型修正技术。首先,将结构设计参数及模态识别参数分别考虑成模糊变量,从而可以利用区间分析方法确定修正参数的初始取值区间,并利用区间灵敏度分析选择修正参数。然后,通过对目标函数的模糊化处理,得到目标函数在不同模糊程度下的修正结果,从而根据实际结构情况,确定出最符合实际物理意义的修正后模型。本文最后采用东营黄河公路大桥的实际监测数据对上述算法进行了验证。验证结果表明:采用本文提出的基于模糊区间分析的模型修正技术可有效的选择修正参数、确定修正参数的取值区间、确定合理的修正结果;采用本文提出的三种优化算法均能得到比较一致的修正结果;采用基于模态综合技术的修正算法能提高计算效率,并保证较好的计算精度。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题背景及意义1.2 结构模型修正技术的研究现状1.2.1 有限元模型的缩减和测试模态的扩展1.2.2 误差定位技术1.2.3 有限元模型修正方法1.3 土木工程结构模型修正技术有待解决的问题1.3.1 高性能优化算法的开发1.3.2 修正参数的选择1.3.3 节点及边界条件的修正1.3.4 发展适合土木工程结构的模型修正算法1.4 本文的主要研究内容第2章 一种混合优化算法与结构模型修正2.1 引言2.2 混合优化技术2.2.1 信赖域牛顿优化方法2.2.2 混沌优化技术2.2.3 混合优化技术2.3 算法性能测试2.4 本章小结第3章 自适应耦合局部最优算法与结构模型修正3.1 引言3.2 耦合局部最优法3.2.1 基本思想及算法的框架3.2.2 算法实现3.2.3 算法存在问题3.3 自适应耦合局部最优法—对耦合局部最优法的改进3.3.1 初始种群的确定3.3.2 变步长搜索3.3.3 自调节种群3.3.4 改进的算法流程3.4 算法性能测试3.4.1 改进算法中参数的参考区间3.4.2 自适应耦合局部最优法与耦合局部最优法的性能比较3.5 本章小结第4章 基于多目标Taguchi算法的模型修正4.1 引言4.2 多目标Taguchi优化算法4.2.1 多目标优化问题4.2.2 基于Taguchi算法的模型修正4.2.3 改进的Taguchi算法及模型修正4.3 算法性能测试4.4 本章小结第5章 结构半刚性节点及边界条件的修正5.1 引言5.2 混合梁单元5.2.1 平面混合梁单元5.2.2 空间混合梁单元5.3 修正结构边界条件的参数化方法5.4 结构模型修正的优化问题5.5 试验算例5.5.1 结构的动力特性及模态测试5.5.2 梁式刚架模型修正5.6 三种优化算法性能的比较5.6.1 混合优化算法5.6.2 自适应耦合局部最优法5.6.3 基于多目标的Taguchi修正算法5.6.4 三种优化算法的修正结果比较5.7 本章小节第6章 基于模态综合的结构有限元模型修正6.1 引言6.2 子结构模态综合技术6.3 基于模态综合的有限元模型修正6.4 某吊杆拱桥模型的有限元模型修正6.4.1 模型结构简介6.4.2 模型结构的动力分析6.4.3 吊杆拱桥结构的模态测试6.4.4 利用数值模拟数据进行模型修正6.4.5 利用测试数据进行模型修正6.5 本章小节第7章 基于模糊区间分析的结构模型修正7.1 引言7.2 模糊有限元理论7.2.1 模糊集合及L- R 型模糊数7.2.2 模糊单元刚度、质量矩阵7.2.3 水平截集技术7.3 基于模糊区间分析的模型修正算法7.3.1 特征值的取值区间7.3.2 修正参数的取值区间7.3.3 修正参数的选择7.3.4 目标函数的模糊化7.4 连续刚构拱桥的有限元模型修正7.4.1 修正参数取值区间的确定7.4.2 修正参数的确定7.4.3 权矩阵的确定7.4.4 模型修正的结果7.5 本章小节第8章 混凝土桥梁结构的有限元模型修正8.1 引言8.2 东营黄河公路大桥简介8.3 东营公路大桥的动力特性8.4 东营公路大桥有限元模型修正8.4.1 修正参数的选择及目标函数的确定8.4.2 基于不同算法的模型修正8.5 本章小节结论参考文献攻读学位期间发表的学术论文参加的主要科研项目致谢个人简历
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标签：结构有限元模型修正论文; 半刚性节点论文; 优化技术论文; 模糊有限元论文; 模态综合论文;
