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基于响应面-鲸鱼算法的有限元模型修正及预警研究
| 论文题名： | 基于响应面-鲸鱼算法的有限元模型修正及预警研究 |
| 关键词： | 桥梁健康监测;有限元模型修正;预警值;响应面法;鲸鱼算法 |
| 摘要： | 大型复杂桥梁结构常常依赖于有限元模型的精细化分析，从而实现结构的损伤定位与识别、健康监测和安全预警等应用。因此，建立一个接近桥梁实际受力状况的精确有限元模型显得极其重要。本文尝试将响应面方法与鲸鱼算法结合以获得更精确的有限元模型。并且基于此模型设定了桥梁健康监测系统预警值。本文的主要研究内容包括： （1）对有限元模型修正的基本理论进行了研究。介绍了三种修正参数的选择方法，重点介绍了灵敏度分析法。阐述了六种应用较广的试验设计方法，并分析了它们的优缺点，本文选取了中心复合实验设计。接着详细描述了响应面方法的原理及实现过程。最后构造了以实测值无限接近理论响应值的目标函数，介绍了遗传算法和鲸鱼算法的原理及操作步骤，为实桥有限元模型修正打下理论基础。 （2）提取某新建简支梁单梁静载试验实测数据，利用鲸鱼算法与遗传算法分别对该梁的响应面方程进行优化，两种算法对静力参数修正优化效果接近且鲸鱼算法略优。基于响应面-鲸鱼算法修正后的有限元模型挠度响应误差从8%降低3%以下，应变响应误差由30%降低到10%以下，其修正结果初步验证了该模型修正方法实际应用的初步可行性。 （3）运用鲸鱼算法对比遗传算法结合响应面验证对钢管混凝土拱桥模型修正的效果。采用灵敏度高的待修正参数，以中心复合试验设计输入参数，拟合得到精确的响应面模型。两种算法对响应面进行优化对比，鲸鱼算法优化效果要明显优于遗传算法。对修正后的参数代入初始模型中验证修正后的参数响应，基于响应面鲸鱼算法修正后的有限元模型挠度响应误差从22%降低到5%以下，应变响应误差从33%降低到10%以下，频率响应误差从18%降低到3%以下。验证了响应面-鲸鱼算法在复杂桥梁结构上模型修正的精确性和高效性。 （ 4 ）基于修正后的有限元模型依据《公路桥梁结构监测技术规范》（ JT/T 1037-2022），对江凯河大桥设计和建立了健康监测系统。然后对江凯河大桥环境类、作用类、结构变化类、结构监测数据变化类的预警值量化指标进行了设置。通过主拱圈静力响应值大小选出结构最不利工况荷载组合，计算出江凯河大桥的拱顶位移、吊杆力和横梁位移等10类响应参数的预警值，以设计值的0.8倍和1.0倍分别作为其二级和三级预警值。对比结构模型修正前的预警值，修正后的预警值降低了约5%～10%。对比修正模型和实测得出的二级预警值，二者非常接近。进一步说明修正后的模型预警值更加精确、灵敏。修正后的有限元模型能有效的辅助桥梁健康监测系统和管养单位做出正确的应急干预。 |
| 作者： | 周新金 |
| 专业： | 土木水利 |
| 导师： | 杜斌 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 贵州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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