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基于混合误差准则的组合代理模型方法及其在有限元模型修正中的应用

仇佳佳  
【摘要】:海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中,腐蚀、老化以及偶然损伤不可避免,一旦发生事故将会造成巨大的经济、社会和环境影响。为了保障海洋平台结构的安全及可靠性,需要对结构在服役期内进行损伤诊断和安全评估,以避免重大的恶性事故发生。要准确的对海洋平台结构进行安全评估,需要建立合理的,并能反映结构实际情况的有限元计算模型。然而,按照结构原始设计及完工资料建立的有限元模型往往会与实际运行结构之间存在偏差,包括模型简化误差、结构损伤误差和物理特性误差等,而解决这一问题的常用方法是有限元模型修正技术。本文将代理模型技术应用在有限元模型修正中,代理模型是基于少量样本点建立的近似替代模型,它能在保证计算精度的前提下,同时避免传统参数型修正方法中反复调用有限元模型进行计算,大大减少有限元模型修正过程中的计算成本。为了进一步提高了代理模型的拟合性能与模型修正中的修正精度,本文提出一种新型的统一组合代理模型方法(Unified Ensemble of Surrogates,UES)。针对于所提出的方法,本文主要从以下几个方面进行研究:(1)阐述了基于代理模型技术的有限元模型修正方法的原理和基本步骤,并详细介绍了常见的代理模型、选取样本点的试验设计方法、代理模型拟合精度评估准则、待修正参数的选取原则、参数修正的优化算法等。归纳总结了现有组合代理模型技术的优缺点,并提出了一种统一组合代理模型方法(Unified Ensemble of Surrogates,UES),该方法统一整合了权重系数求解过程中的局部误差准则和全局误差准则,通过控制函数来调节两种误差准则在设计空间中计算权重系数时的影响区域,从而更能精准的评估组合权重系数,实现提高组合代理模型拟合精度的目的。(2)为了对所提出方法的拟合性能进行全面的评估,本文建立了一个由38个不同特性测试函数所构成的测试函数库,对比分析了其他的组合方法,采用三种常用的代理模型拟合精度评价标准进行评估,同时进一步探究样本点数量的变化对所提出的组合方法拟合精度的影响。(3)利用两个有限元模型修正的实例来验证UES在模型修正中的应用。首先通过简支梁有限元模型修正验证了UES在模型修正中的可行性和可靠性。然后对海洋导管架平台通过灵敏度分析选取了八个待修正参数进行有限元模型修正,对比分析UES与其他组合代理模型方法在修正精度上的差异。结果表明UES在修正精度上要优于其他组合代理模型方法,同时在保证修正参数物理意义的前提下,还能够使修正后的有限元模型更加精确的反映结构的力学性能,为大型复杂结构的安全评估和结构健康监测奠定了基础。综上所述,所提出的组合方法UES进一步提高了组合模型技术的拟合精度和可靠性,通过拟合近似函数库中的测试函数,验证了所提出方法与其他代理模型技术相比在拟合精度上所具有的优势。同时将组合模型理论应用到海洋平台有限元模型修正中也是一种新的尝试,利用两个有限元模型修正的实例,证明了所提出方法在模型修正应用的可行性。


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