多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目()国家自然科学基金()福建省自然科学基金()作者简介:刘天姿()女硕士研究实习员主要从事工程结构振动方面的研究:.通信作者:宁西占()男博士副教授主要从事工程结构振动控制和混合试验方法方面的研究:.文章编号:():./.多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法研究刘天姿黄伟宁西占叶恒博王国元(.华侨大学 土木工程学院福建 厦门 .中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动实验室黑龙江 哈尔滨.芜湖市交通投资有限公司安徽 芜湖)摘 要:在线数值模拟方法是一种基于模型
2、更新的混合试验方法其是不完整边界条件混合试验的通用解决方案 在该方法中:结构反应由结构整体数值模型计算得到边界条件自然得以满足物理子结构的恢复力不再参与运动方程的求解而是用于估计数值模型的本构参数提高了数值模型的可靠性 论文提出多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法以提高多种本构模型参数不确定性同时存在时在线数值模拟方法的精度并以 算法为参数估计方法实现了采用恢复力对钢筋和混凝土材料本构模型参数的同步估计 研究表明:以恢复力来估计材料本构模型参数是可行的且 算法具有较高的收敛速度和计算精度在线数值模拟方法有效地提高了混合试验的模拟精度关键词:在线数值模拟混合试验多本构同步更新 算法中图分类号
3、:文献标识码:(.):().第 期刘天姿等:多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法研究:引言混合试验源于拟动力试验是一种将物理试验和数值计算相结合来获取动力荷载作用下结构反应的先进试验方法 在该方法中:待模拟结构中的关键构件或子结构在实验室中进行物理加载称为物理子结构而结构剩余部分以及全部的惯性力、阻尼力则在计算机中采用程序或有限元软件计算称为数值子结构因此混合试验可以实现大比例尺的试验且对加载设备无特殊需求在过去的数十年间得到了密切关注并取得了许多重要进展为实现复杂结构的混合试验物理子结构往往采用简化处理的边界条件或放弃某些自由度的模拟这样势必会降低混合试验的模拟精度甚至导致错误的结构破坏
4、模式 为解决物理子结构边界条件无法完全模拟的混合试验问题 等提出了在线数值模拟方法 该方法的思想是:结构不再划分数值子结构和物理子结构其动力反应由整体数值模型计算得到边界条件问题自然得以避免不完整物理子结构的实测反力不再参与运动方程的求解而是用于数值模型本构参数估计并以此更新整体数值模型的本构参数值数值建模的可靠性得到了有效改善在线数值模拟方法的关键问题之一是本构模型参数估计 年 等以实测试验数据使用神经网络在线识别物理子结构的滞回特性并用经过物理子结构试验数据训练好的神经网络在线预测数值子结构的恢复力以修正数值子结构数学模型与试验模型不同的影响这是模型更新混合试验的首次应用 随后地震工程领域
5、学者在本构模型参数估计方面开展了大量有益探索 王涛等以传统 神经网络为基础通过增加反馈层提出一种在线自适应神经网络算法并以 模型为例进行了验证研究表明:所提方法具有较高的效率和精度王燕华等将遗忘因子引入 神经网络发展了一种在线模型更新方法并以两自由度非线性结构为例探讨了新方法的自适应性、稳定性和抗噪声能力马天宇等以最小二乘法为基础对双折线模型进行恢复力模型更新并开展了数值验证 等开发了一种防屈曲支撑的双屈服面宏观模型并提出基于梯度方法的模型更新算法完成了钢框架防屈曲支撑结构的数值模拟郭玉荣等以 模型作为钢筋混凝土的本构模型采用 作为估计方法验证了模型更新方法的有效性和优越性 等基于 算法提出了
6、截面模型更新的混合试验方法并以钢框架结构为例验证了所提方法的有效性 等将 算法用于识别混凝土材料的本构模型参数完成了高墩桥的模型更新混合试验有效改善了数值建模的可靠性 等提出基于全局敏感性的模型更新混合试验方法并以钢筋混凝土结构为例对该方法进行了系统探讨在已有基于模型更新的混合试验研究中往往认为单一材料本构模型参数具有不确定性并对其进行估计更新如钢筋或混凝土材料 但对钢筋混凝土结构由材性试验得到的钢筋和混凝土的本构模型参数在用于结构计算时难以精确模拟其力学性能 因此有必要对钢筋和混凝土本构模型参数同步估计以提高数值子结构的模拟精度 基于此本文提出多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法并以()
7、算法作为参数估计方法采用物理子结构的恢复力实现对钢筋和混凝土材料本构模型参数的同步估计 本文余下部分将阐述在线数值模拟方法的基本原理和基于 算法的有限元材料本构模型参数估计方法以一钢筋混凝土框架结构为例探讨 算法中阻尼因子的影响并开展虚拟混合试验以验证所提方法的可行性在线数值模拟方法基本原理在线数值模拟方法是一种新型混合试验方法其既可以有效解决不完整边界物理子结构的混合试验问题又可以改善数值建模的可靠性 与传统混合试验不同物理子结构不再为结构反应计算提供恢复力而是用于数值模型的本构参数估计 在线数值模拟方法包含四个模块即:)协调器模块用于求解结构的动力反应)结构整体数值模型模块用于确定物理子结
8、构的边界位移并提供结构动力反应计算的整体结构世 界 地 震 工 程第 卷静恢复力)物理子结构模块)本构模型参数估计模块用于估计数值模型的本构参数包含优化算法以及与物理子结构具有相同边界条件的数值模型(本文称之为“等代物理子结构”)在线数值模拟方法的原理图见图 图 在线数值模拟方法原理.在线数值模拟方法的基本流程可简述如下:)在协调器中求解结构运动方程获取结构动力自由度方向上的位移 )以位移 驱动结构整体数值模型完成非线性静力分析得到物理子结构位移 并将其发送给试验设备进行物理加载获取相应的恢复力)参数估计模块以物理子结构实现的位移及其对应的恢复力采用合适的参数估计方法估计等代物理子结构的相关本
9、构参数并将该参数更新结构整体数值模型中的相关参数)再次以位移 驱动结构整体数值模型完成非线性静力分析提取与动力自由度相应的自由度方向上的恢复力 )将整体结构静恢复力反馈至协调器进行下一步运动方程的求解)重复)至)直至试验结束需要说明的是:在线数值模拟方法建立在对物理子结构具有一定认知的前提下且该方法不限制本构模型的类型和参数个数具有较强的适用性和扩展性基于 算法的参数估计方法近年来有限元方法逐渐被用于混合试验以提高模拟精度其中采用材料应力应变关系反应结构或构件力学行为的纤维模型兼顾计算效率和精度既能描述结构的整体行为又能刻画结构的局部特性因此在混合试验中得到了广泛的应用 在混合试验中:能够直接
10、有效观测的物理量包括应变、物理子结构的力和位移但应变易受温度和电阻影响 为此该研究将以物理子结构的恢复力为观测量来估计材料的微观本构模型参数 特别地本文将以单作动器加载的物理子结构为例对钢筋和混凝土这两种材料的本构模型参数进行估计.本构模型参数的优化问题参数估计就是通过不断优化等代物理子结构的本构模型参数使由等代物理子结构计算得到的恢复力与物理子结构的实测力之差最小可将其归结为结构参数优化问题 从有限元角度来看:等代物理子结构的恢复力 是节点力可以表述成节点位移和本构模型参数的函数为:()()式中:()是与历史变量相关的函数 是本构模型参数 是节点位移 显然在基于有限元的本构模型参数估计问题中
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