基于逆向子结构的有限元模型修正方法

精确的有限元模型是结构健康评估的重要基础。土木工程结构一般尺寸较大，有限元模型的单元和不确定参数较多。传统的有限元模型修正方法通常基于整体结构模态参数，优化过程需要重复分析整体结构模型，效率低，优化结果欠佳。本项目提出一种新的基于逆向子结构的有限元模型修正方法。通过建立独立子结构模态参数和整体结构模态参数之间的关系，将整体结构的试验模态参数分解为独立自由子结构的试验模态参数。进而将独立子结构从整体结构中分离出来，模型修正针对独立子结构模型，优化目标基于独立子结构的模态参数。基于逆向子结构的有限元模型修正方法将推广应用于微宏观多尺度模型修正和实时多阶段子结构模型修正，为结构施工监测和运营监测提供高精度和高效的有限元模型。基于逆向子结构的有限元模型修正方法修正独立子结构模型，避免对整体结构模型重复分析，为提高有限元模型修正方法的精度和效率提供了一个新的思路。

本项目提出了一种基于逆向子结构的有限元模型修正和损伤方法，编制了相应的计算程序，并将其应用于实验室模型和实际工程结构的损伤识别。该方法首先建立独立自由子结构和整体结构试验模态参数之间的关系，将整体结构试验模态分解为独立子结构试验模态，从而将独立子结构从整体结构中分离出来。然后，研究了独立自由子结构特性，针对自由刚体提出了广义刚度和广义柔度，用于对独立子结构的动力分析。最后，基于子结构试验模态修正独立自由子结构有限元模型，比较模型修正前后子结构物理参数变化，用于对结构局部区域的损伤识别。基于逆向子结构的有限元模型修正方法修正独立自由子结构模型，将对整体结构的有限元模型修正转换为对独立子结构的有限元模型修正。由于独立子结构尺寸和待修正参数数量远小于整体结构，该方法极大地提高了模型修正的精度和效率。该方法成功地应用于实验室悬臂钢梁的结构损伤识别和实验室钢框架结构的多阶段模型修正，也应用于广州电视塔的多尺度有限元模型修正验证其效率。