一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法

本发明涉及结构健康监测领域，具体涉及一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法。

背景技术：

1、桥梁在复杂多变的环境和长期的动静荷载耦合作用下，极易出现疲劳、材料老化和腐蚀等损伤问题，造成结构服役性能退化。当结构服役性能退化到一定程度，就会影响到桥梁的正常使用。基于有限元模型的数值模拟能够准确分析和预测结构的力学性能，为评估桥梁的服役性能提供了一种有效手段。在进行数值模拟时，准确的有限元模型是关键。如前所述，随着服役时间的增长，桥梁的服役性能不断退化，基于设计图纸的初始有限元模型不再能够准确描述桥梁的力学性能。因此，利用实测数据对初始有限元模型进行修正，成为有限元数值模拟的核心步骤。

2、现有技术中的有限元模型修正方法大多采用代理模型来近似真实有限元模型，虽然能提高效率，但是代理模型与真实有限元模型之间不可避免地存在误差，导致有限元模型修正结果误差增大。因此，直接采用真实有限元模型进行修正，更能确保修正结果的精度。有限元模型修正的本质可以归结为一个数学上的约束优化问题，在求解过程中需要进行几十次甚至上百次的优化迭代。真实有限元模型一般采用商业有限元软件建立，比如有限元软件ansys；而优化计算一般采用商业数值分析软件进行，比如数学软件matlab。不同软件之间的数据不能直接共享，需要模型修正人员将商业数值分析软件的优化计算结果手动带代入商业有限元软件，再将商业有限元软件计算结果手动代入商业数值分析软件，这一过程十分繁琐、效率低下且错误率极高。另外，有限元模型修正中待修正参数的上阈值和下阈值的设定，大多以初始值为基准扩大或缩小一个系数。不同修正方法以及不同桥梁结构，选取的系数各不相同，比如10％、15％、20％等，极度依赖于模型修正人员的专业知识和经验，造成有限元模型修正在实际工程中难以开展。基于此，急需一种操作简便且对模型修正人员专业知识要求不高的桥梁有限元模型自动修正方法。

技术实现思路

1、本发明目的：在于提供一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，该方法能够对桥梁有限元模型进行自动、简便地修正，确保有限元模型能够高保真地模拟真实桥梁结构。

2、为实现以上功能，本发明设计一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，执行以下步骤s1-步骤s5，完成目标桥梁有限元模型的修正：

3、步骤s1：采用有限元软件ansys建立目标桥梁的初始有限元模型，并进行模态分析获得计算频率；

4、步骤s2：采集目标桥梁实测振动响应数据，采用数学软件matlab识别真实频率；

5、步骤s3：分别针对计算频率、真实频率，选取其中预设阶数的频率作为修正目标，基于修正目标建立目标桥梁有限元模型的修正目标函数，并采用摄动法确定待修正参数；

6、步骤s4：分别针对各种待修正参数组合进行实数编码和迭代更新，基于有限元软件ansys和数学软件matlab交互编程，利用改进大爆炸算法搜索使修正目标函数值最小的待修正参数组合，作为最优待修正参数组合；

7、步骤s5：将最优待修正参数组合代入初始有限元模型，得到修正后的目标桥梁有限元模型。

8、有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

9、1、采用两种通用商业软件ansys和matlab交互编程实现有限元模型的自动修正，修正过程无需人为介入，不仅效率高、错误少，而且对模型修正人员的软件操作能力要求较低，具有广泛的工程适用性。

10、2、待修正参数搜索空间的下阈值和上阈值定义为待修正参数初始值的[20％，180％]，即在非常宽松的空间对待修正参数进行搜索，避免由于搜索空间设置不合适而造成模型修正失败，对模型修正人员的专业知识和修正经验几乎没有要求，非常利于工程推广。

11、3、采用改进大爆炸算法对最优待修正参数组合进行求解，求解过程围绕粒子在搜索空间的“质心”和待修正参数的初始值进行，既能保证求解效率，又能保证修正结果不脱离工程实际，具有良好的工程应用前景。

技术特征：

1.一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，执行以下步骤s1-步骤s5，完成目标桥梁有限元模型的修正：

2.根据权利要求1所述的一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，步骤s3的具体步骤如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，步骤s4的具体步骤如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，步骤s4.2的具体步骤如下：

5.根据权利要求3所述的一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，步骤s4.4的具体步骤如下：

6.根据权利要求3所述的一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，其特征在于，步骤s4.6的具体步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种基于大爆炸算法的桥梁有限元模型自动修正方法，建立桥梁初始有限元模型，分别采用ANSYS和MATLAB获得计算频率和真实频率；建立修正目标函数，进而确定待修正参数；基于软件交互编程，利用改进大爆炸算法搜索最优待修正参数组合；将最优待修正参数组合代入初始有限元模型，得到修正后的桥梁有限元模型。本发明能够避免在修正过程中对ANSYS和MATLAB两种软件的数据进行手动交互，实现桥梁有限元模型的自动修正；通过设定非常宽松的待修正参数搜索空间，大幅降低了对模型修正人员专业知识和经验的要求；采用改进大爆炸算法既能保证求解效率，又能保证修正结果不脱离工程实际，具有广泛的工程应用前景。

技术研发人员：周广东,奚佳欢,乔争气,刘定坤
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5