基于神经网络的桥梁结构静力有限元模型修正

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近年来有限单元法在结构工程分析中得到了广泛的应用,随着现代力学、数学以及计算机技术的发展,可以说有限单元法目前已经成为结构工程中不可或缺的、具有广泛应用效力的数值分析工具。桥梁结构整个生命周期内静动力响应值的实际状况一直是工程研究领域关注的问题。通过有限元计算程序对响应值进行估计是目前比较有效的方法,具有成本低、速度快等优点。然而,由于各种简化和假定,依据设计图纸建立的桥梁初始有限元模型的静动力响应计算结果与试验测量结果之间往往存在不同程度的差异。因此,如何对初始有限元模型进行修正,使其理论计算值趋近于结构的实际响应值是一个具有重要理论和实用意义的研究方向,模型修正技术及结果可应用于结构的静动力响应分析、损伤识别、健康监测和安全评估等方面。本文以桥梁的有限元模型修正为研究内容,依据桥梁的静力荷载试验数据,提出了一种利用通用有限元软件ANSYS和神经网络技术相结合的静力有限元模型修正方法。采用数值模拟的方法对基于神经网络的有限元模型修正的可行性和实用性做了验证。最后将该方法运用到工程实践中,对一座双曲拱桥的初始有限元模型进行了修正,修正后模型的计算精度得到了提高。文章主要做了以下几方面的工作:第一:提出本文的研究背景和意义,介绍有限元模型修正的国内外研究现状。第二:介绍有限元模型修正的理论和方法。首先从总体上对有限元模型修正的过程做介绍,理清模型修正的思路;接着落实到细节上,分别从模型参数的选取、相关性分析以及目标函数的建立等方面对模型修正技术进行介绍;最后对有限元模型修正技术进行小结。第三:介绍神经网络在模型修正中的应用。首先对人工神经网络做了概述;对BP网络及其算法做了推导;结合工程实际对运用BP神经网络进行有限元模型修正做了说明,针对模型修正中网络输入、输出参数较多,提出了基于均匀设计的神经网络样本参数优化方法,使得试验次数得到了减少,提高了神经网络算法的效率。第四:以MATLAB为平台,使用本文提出的模型修正算法对一座三跨连续梁桥进行数值模拟修正,以数值模拟的方式,来检验待修正参数经修正后能否收敛于人为设定的“真值”。模拟结果表明,经过求解能取得较好的修正结果,说明本文提出的有限元模型修正方法具有可行性和实用性。第五:将本文提出的模型修正方法运用于一座双曲拱桥,对该桥的静力荷载试验做了详细的说明,并运用本文提出的模型修正方法对该桥的初始有限元模型进行了修正,得到了修正后的有限元模型。修正后模型的静力响应计算值比修正前更吻合于试验测试值,达到了模型修正目的。
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