基于子结构的非线性有限元模型修正与损伤识别方法

The nonlinear finite element model updating is significant to structural health monitoring, damage identification and safety assessment. Since the finite element model of a civil structure has a large number of degrees of freedom and uncertain parameters, the nonlinear finite element model updating is inefficient or even impossible due to many computational difficulties. This project proposes a substructuring method to the nonlinear finite element model updating and damage identification of civil structures. First, the derivative of time-varying mode shape is proposed to divide the global structure into the linear and nonlinear substructures. Afterwards, the mechanics-based fiber element model of the nonlinear substructure is excited by the interface forces of adjacent substructures, to calculate the dynamic response and response sensitivity. The sensitivity-based model updating is performed by iteratively adjusting the mechanics-based parameters and the interface forces simultaneously. Finally, the updated mechanics-based parameters are used to extract the hysteresis loop for damage identification. Based on the substructuring method, the complicated nonlinear dynamic analysis is constrained within local area, thus significantly improve the accuracy and efficiency of model updating and damage identification of nonlinear structures. The success of this project will realize the fast nonlinear dynamic analysis and model updating of mechanics-based finite element model of large-scale structures, and will merit significance in structural health monitoring, damage identification and safety assessment.

非线性有限元模型修正是土木工程结构损伤识别和状态评估的重大需求。土木工程结构有限元模型庞大、待识别参数多，非线性动力分析和有限元模型修正难以完成，目前国内外缺乏对大型结构非线性有限元模型修正的研究。本项目发展基于独立子结构的非线性有限元模型修正和损伤识别方法。首先，提出基于时变振型斜率的线性和非线性子结构划分方法；然后，建立独立非线性子结构的纤维单元模型，将子结构界面力作为外荷载施加在独立子结构上，以子结构界面力参数和材料本构参数同时作为修正参数，完成基于灵敏度分析的有限元模型修正；最后，依据修正后的材料参数，研究基于非线性子结构滞回特征的损伤识别方法。本项目通过子结构方法将非线性分析限制在少数独立子结构内，有效提高大型结构非线性动力分析和参数识别的效率，实现大型结构微观非线性模型的快速动力分析、有限元模型修正和损伤识别，为土木工程结构的损伤识别和状态评估提供可靠的理论依据与技术支撑。

非线性有限元模型修正是土木工程结构损伤识别和灾后评估的重大需求。土木工程结构有限元模型庞大、待识别参数多，非线性动力分析和有限元模型修正难以完成。本项目发展基于独立子结构的非线性有限元模型修正和损伤识别方法。首先，研究了基于小波变换的结构时变模态参数识别方法，通过时变模态振型差识别结构非线性出现的时间、位置以及程度，进而提出基于时变振型斜率的线性和非线性子结构划分方法，应用于悬臂梁模型以及昌赣客运专线赣江特大桥模型的非线性识别与子结构划分中。第二，推导了考虑惯性力二阶效应的时域子结构动力响应及其灵敏度计算方法，同时配套发展了GPU/CPU子结构并行算法，计算超高层框架模型地震荷载作用下响应所需时间缩短为传统整体结构方法的1.63%、响应灵敏度计算时间缩短为传统整体结构方法的1.24%，极大地提高了时域子结构算法的精度和效率；然后，划分整体结构使得非线性区域限制在少数非线性子结构中，通过模态截断法将线性子结构响应通过少量低阶主模态响应表示，计算局部非线性框架模型响应所需时间缩短为传统整体结构方法的18.07%、响应灵敏度计算时间缩短为传统整体结构方法的22.85%；建立独立非线性子结构的纤维单元模型，将子结构界面力作为外荷载施加在独立子结构上，以子结构界面力参数和材料本构参数同时作为修正参数，完成基于灵敏度分析的有限元模型修正。最后，依据修正后的材料参数，研究了基于纤维单元非线性子结构滞回特征的损伤识别方法，提取了反映非线性结构损伤的定量指标。本项目通过子结构方法将非线性分析限制在少数独立子结构内，有效提高大型结构非线性动力分析和参数识别的效率，实现大型结构微观非线性模型的快速动力分析、有限元模型修正和损伤识别，为土木工程结构的损伤识别和状态评估提供可靠的理论依据与技术支撑。