结构健康监测多尺度有限元模型修正方法

摘要..................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................. I I 第1章绪论 . (1)

1.1 课题来源及研究目的和意义 (1)

1.1.1 课题来源 (1)

1.1.2 研究的目的和意义 (1)

1.2 国内外相关研究现状 (2)

1.2.1 有限元模型种类 (2)

1.2.2 有限元模型修正 (3)

1.3 本文的主要内容 (5)

第2章多尺度有限元模型的建模方法 (6)

2.1 引言 (7)

2.2 焊接箱型节点的多尺度有限元建模 (7)

2.2.1 节点细观单元建模 (7)

2.2.2 节点宏观单元建模 (9)

2.3 不同尺度单元的连接 (10)

2.3.1 约束方程法 (10)

2.3.2 MPC法 (10)

2.3.3 多尺度有限元模型连续性验证 (11)

2.4 珠海歌剧院小贝壳节点建模 (13)

2.4.1 珠海歌剧院概况 (13)

2.4.2 多尺度有限元建模位置的选取 (14)

2.4.3 小贝壳结构节点多尺度有限元模型 (17)

2.4.4 多尺度有限元模型有效性验证 (19)

2.5 本章小结 (21)

第3章多尺度有限元模型修正方法 (22)

3.1 引言 (22)

3.2 多尺度有限元模型修正方法 (22)

3.2.1 基于灵敏度的参数分析 (22)

3.2.2 响应面函数形式 (24)

3.2.3 拉丁超立方试验设计 (25)

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

3.2.4 基于径向基函数的响应面 (25)

3.2.5径向基响应面模型精度验证 (27)

3.2.6基于遗传算法NSGA-II的多目标优化 (27)

3.3 珠海歌剧院小贝壳结构多尺度有限元模型修正 (29)

3.3.1基于灵敏度的参数分析 (29)

3.3.2 径向基目标函数的确定 (34)

3.3.3 建立径向基函数响应面 (35)

3.3.4 径向基响应面精度验证 (37)

3.3.5 基于遗传算法NSGA-II多目标优化 (37)

3.3.6 基于新样本验证响应面模型精度 (40)

3.4 不同参数组合的多尺度模型修正 (43)

3.4.1参数组合一的结构多尺度模型修正 (44)

3.4.2参数组合二的结构多尺度模型修正 (45)

3.4.3参数组合三的结构多尺度模型修正 (48)

3.5 本章小结 (50)

第4章珠海歌剧院大贝壳多尺度有限元模型 (51)

4.1 引言 (51)

4.2 珠海歌剧院大贝壳工程简介 (51)

4.2.1 项目概况 (51)

4.2.2大贝壳结构健康监测系统简介 (52)

4.3 多尺度有限元模型的建立 (54)

4.4 多尺度有限元模型修正 (58)

4.4.1基于灵敏度的参数选择 (58)

4.4.2基于径向基的响应面建立 (63)

4.4.3基于遗传算法NSGA-II的多目标优化 (66)

4.5 本章小结 (68)

结论 (69)

参考文献 (71)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (74)

致谢 (75)

第1章绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.1.1 课题来源

本课题来源于国家自然科学青年基金项目“基于分布式监测数据的信息延拓与融合决策方法”，项目批准号：51308162。研究内容以“珠海歌剧院钢结构施工过程和运营安全健康监测系统项目”为背景。

1.1.2 研究的目的和意义

用于结构健康监测系统的传感器数量有限，不能获得结构所有重要部位信息；此外，由于结构的空间复杂性，一些结构局部区域不便于施工安装监测设备，使得传感器的安装部位往往受到结构构造的局限，最终传感器的安装部位未必是预期的结构重点关注部位。因此，仅仅基于健康监测系统采集到的信息对结构在建和运营期间进行监测是不全面的。建立结构有限元模型来模拟真实结构行为，计算得到结构受荷载作用下的各项力学性能指标，可有效解决传感器数量受限所引起的监测响应不全面的问题。

传统的有限元模型通常建立在单一整体宏观尺度上，在荷载作用下，结构的局部细节由于有限元模型尺度较粗糙，不能有很好的感应和受荷表现，所以传统的有限元模型已不能满足所需采集的结构健康监测信息的需求。而对整体结构建立细观单元有限元模型会造成建模难度大，计算量过大的情况，不易于实现。多尺度有限元模型不同于传统单一尺度的有限元模型，多尺度有限元模型结合宏观尺度有限元模型和细观尺度有限元模型的优点，对整体结构建立宏观单元有限元模型，对结构关键部位建立细观单元有限元模型，使得结构既能获得结构整体信息的同时也能获得局部细节信息。多尺度有限元模型建模过程不会太过复杂，细观单元和宏观单元结合有度，也不会给结构带来过多的计算量，适用于大型结构有限元建模。

然而，建立的多尺度有限元模型即便有上述优点，计算得到的结果与真实结构实测得到的结果仍存在一定误差，如果该误差超出一定限值，将不能很好的模拟得到真实结构在建和运营期间的状态和损伤情况。因此，对结构多尺度有限元模型进行修正来提高对实际结构的模拟精度是很有必要的。通过以仿真结构的受荷信息为依据，将多尺度有限元模型计算得到的结果与之