基于响应面的模型更新混合模拟方法

Combining the theoretical analysis, numerical simulations and experimental verifications, the model updating hybrid simulation method (HSM) based on response surface (RS) is established by studying on three key issues which include the design of experiment (DOE), the RS modeling method and the cumulative error. In the first place, considering the characteristics of the HSM, the uniform design-based single-factor-rotation method, the fractional steps factors relining method and the phased model updating method are presented at prophase. After that, taking advantage of the existing RS modeling method, the more efficient and reliable RS model updating method, which is appropriate for the HSM, is explored and presented. In the second place, using the mixed programming method, the numerical simulation program is compiled. By the analysis of the recognition efficiency, the recognition cumulative error and the measuring cumulative error under the different number and initial values of updating parameters, different structural parameters and different degree of nonlinear，the sensitivity and robustness of the proposed method are assessed comprehensively using the compiled numerical simulation program. Finally, based on the aboved research results, the program module for the model updating HSM based on RS is developed and at the meantime, the effectiveness and reliability are validated through the different-stage physical model tests. Through the research of this project, we will provide a more economic and reliable simulation method to assess the nonlinear seismic behavior of the structure, thus play a role in promoting the development of the HSM and providing the efficient technical support for the structural seismic design theory.

采用理论分析、数值模拟及试验验证相结合的手段，围绕建立基于响应面的模型更新混合模拟试验方法，对试验设计方法、响应面模型构建及累积误差分析等关键问题展开研究。首先，结合混合模拟试验自身特点，在前期已提出的基于均匀设计的单因素轮换法、分步因素重排列及分阶段模型更新等基础上，利用现有响应面模型构建方法，探索并提出适用于混合模拟试验的更高效、可靠的响应面模型更新方法。然后，采用混合编程方法编制程序，对不同更新参数数量及初值、不同结构参数、模型非线性程度等分别进行识别效率、识别累积误差及测量累积误差分析，综合评定所提方法的鲁棒性和灵敏度。最后，基于上述研究成果开发一套基于响应面的模型更新混合模拟试验模块，通过物理模型系统试验，验证上述研究成果的科学性和可靠性，从而提供更经济、可靠评价结构非线性性能的方法，进一步推动结构混合模拟方法的发展，为结构设计理论提供有效的技术支撑。

大量文献和实际震害表明，我们目前对各类建筑物和构筑物的非线性行为认识还不足，仅以数值模拟的手段尚不能完全把握结构在地震作用下的非线性性能。模型更新混合模拟方法是一种子结构非线性分析方法，其继承了传统方法优势，能更大程度减少试验子结构的数目和规模，已经成为混合模拟方法研究领域最具挑战性的前沿课题之一。.响应面法在模型更新领域已经凸显其独特的优势和潜力，但遗憾的是，该方法在混合模拟试验研究方面还没有得到很好地应用。基于此，本项目围绕基于响应面的模型更新混合模拟方法研究，构建高效、可靠、可用于混合模拟的模型更新方法，对试验设计方法、响应面模型构建方法以及误差累计分析等关键问题展开研究，先后提出了基于均匀设计、基于智能算法以及基于全局敏感性的模型更新混合模拟试验方法，并开发一套模型更新混合模拟试验模块，通过数值模拟和物理试验，验证上述研究成果及平台的科学性和可靠性。相关成果发表国内外高水平期刊论文8篇，参编规程2个，获省科技进步二等奖1项，省教育厅二等奖1项，授权发明专利1项，授理发明专利1项，学术专著1本，5-10年有望在结构抗震、非线性有限元分析及结构健康监测等领域得到推广使用。主要创新性研究成果如下：.1）提出了基于均匀设计、基于智能算法以及基于全局敏感性的模型更新混合模拟试验方法，通过数值模拟和物理实验验证得到高效、可靠、可用于混合模拟的模型更新方法，并自主开发相应的系统平台，实现了模型更新混合模拟方法。.2）在均匀设计基础上，提出单因素轮换、分步因素重排列等改进试验设计方法，推动试验设计方法的发展，以及在响应面模型更新方法中广泛应用。.本项目瞄准混合模拟方法研究的国际前沿技术与最新进展，将响应面法在模型更新混合模拟方法中的应用作系统、透彻的研究，探索得到可靠、易于混合模拟试验应用的模型更新方法，推动了混合模拟试验方法的发展，对于更客观真实地评估结构非线性抗震性能和动力灾变过程、进一步降低评估成本有十分重要的意义，这同时也为其他领域引入模型更新方法、试验设计方法提供重要的借鉴价值。