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基于优化原理的桅杆结构有限元模型修正

帅群  
【摘要】: 桅杆结构是一类应用广泛的高柔风敏感结构,较易因风力引起的结构构件疲劳破坏而造成整个桅杆结构的倒塌。避免桅杆结构构件风致疲劳破坏的发生,保证桅杆结构的安全是已成为新世纪土木工程领域的一个前沿研究热点。因此,建立一套桅杆结构安全预警的系统,避免桅杆结构风致疲劳引起的倒塌破坏,具有深远的理论意义和广阔的应用前景。而结构有限元的修正,是实现桅杆结构安全预警的基础,本文以这样一个实际工程中的疑难问题为背景,提出了桅杆结构有限元模型修正的理论和方法。 在对桅杆结构风致疲劳的计算中,所采用的有限元模型是理论模型,这与实际结构模型会有差异。对于桅杆结构的抗风设计,只要这种差异偏于安全即可。但在桅杆结构风致疲劳安全预警系统中,这种差异则会导致预警失实而失效,所以应建立一套桅杆结构的有限元模型修正方法。由于钢结构的模型误差主要体现对杆件连接刚度而非对杆件的物理尺寸的把握上,本文提出了以构件节点连接刚度为修正指标的基于规划优化的结构有限元模型修正的方法。 本文建立了桅杆结构的数值模型,该模型采用非线性单元,考虑了纤绳的几何非线性与应力刚化效应,也考虑了杆身于纤绳的耦合作用,然后对该模型进行了非线性动力分析,由此得到杆身节点的响应,通过对结构位移响应和位移频谱的分析,仿真分析结果表明,所建立的数值模型能够反映桅杆结构的基本特征。 本文把桅杆结构杆身的杆件划分为五个单元,并推导出五单元杆件的单元刚度矩阵,并在此基础上建立了以固结系数表示的三维空间桅杆结构有限元模型,采用优化的方法,以实测结构响应和计算结构响应之差的最小为目标函数,以桅杆结构水平腹杆和斜杆的节点联结刚度为设计变量,以设计变量的取值范围为约束条件,当约束条件中的取值令目标函数值最小值时,识别出设计变量的取值。根据本文的研究可以得知,优化方法可以很好的用于结构有限元模型的修正。


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