【計算機病毒論文】實驗數(shù)據(jù)下的鋼架計算機模型優(yōu)化

《【計算機病毒論文】實驗數(shù)據(jù)下的鋼架計算機模型優(yōu)化》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【計算機病毒論文】實驗數(shù)據(jù)下的鋼架計算機模型優(yōu)化（4頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、【計算機病毒論文】實驗數(shù)據(jù)下的鋼架計算機模型優(yōu)化 摘要：文章以實驗室模型的結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)以及初期實驗數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對計算機模擬模型進行了二次模型優(yōu)化嘗試。第一次嘗試根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征，針對外部約束條件以及構(gòu)件內(nèi)部連接性質(zhì)同時進行優(yōu)化，大致確定了各約束以及連接的轉(zhuǎn)動剛度數(shù)值。第二次嘗試則根據(jù)初期實驗數(shù)據(jù)，對其中柱中連接的轉(zhuǎn)動剛度進行了更細(xì)致的調(diào)整。經(jīng)過兩次優(yōu)化后，計算機模擬模型已初步具備擬合實驗室模型動力學(xué)特征以及輸入/輸出對應(yīng)的功能要求。 關(guān)鍵詞：門式鋼架；模型優(yōu)化；自振頻率；振幅；彈簧轉(zhuǎn)動剛度 前言 門式框架是一種在實際工程中被廣泛

2、應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，它們通常是某種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本組成元素，如多跨橋梁及鋼結(jié)構(gòu)廠房等。為確保這種結(jié)構(gòu)的安全性，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的可能就變得十分重要。美國Lehigh大學(xué)ATLSS實驗室為驗證一種基于傳感器簇數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)損傷指示算法的有效性[1][2][3]，建立了一個成比例縮小的兩跨門式鋼架模型，用于進行振動實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)。力學(xué)簡圖如圖1所示。由于實際操作實驗具有復(fù)雜性和一定的不確定因素，所以需建立一個計算機模擬模型來預(yù)測以及對比參照實際實驗的結(jié)果。本文將根據(jù)一些前人的模型優(yōu)化工作經(jīng)驗[4]，對本實驗的計算機模型的進行優(yōu)化，以期為日后相同建模工作提供經(jīng)驗。 1模型描述

3、 1.1實驗室模型設(shè)置 為在后續(xù)實驗中模擬結(jié)構(gòu)損傷，實驗室模型中設(shè)置了9個可替換模塊，如圖1所示，由兩端各6個螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接。結(jié)構(gòu)上設(shè)置了共21個加速度傳感器收集振動試驗中各節(jié)點垂直結(jié)構(gòu)方向的加速度數(shù)據(jù)。為獲取模擬實驗數(shù)據(jù)以便作為實際數(shù)據(jù)的對照分析基準(zhǔn)，實驗室將建立一個基于SAP2000結(jié)構(gòu)計算程序的二維門式框架模型，用于進行計算機模擬實驗。初步建立的SAP2000模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸皆與實際實驗室尺寸相同，所有連接及約束皆為固定約束。實驗時輸入振動裝置為MBDynamic公司生產(chǎn)的MODEAL50A馬達(dá)，置于門式框架最左側(cè)柱上端，可產(chǎn)生最大振幅2g，最大頻率200

4、Hz的水平簡諧振動。 1.2計算機模擬模型 由于計算機模擬模型主要用于模擬實驗室震動實驗，故而需確保模擬模型經(jīng)由相同輸入振動后可產(chǎn)生基本一致的輸出，即確保模擬模型的動力學(xué)特征與實驗室模型基本一致。此處設(shè)置的對標(biāo)模型特征為模型前三振型的自振頻率以及靠近鋼柱頂端節(jié)點的最大振幅。由引用前期實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實驗室模型的前三振型的自振頻率為13.66Hz（第一振型）、21.95Hz（第二振型）以及31.58Hz（第三振型）。前三振型的振型圖如圖2所示。由振型、自振周期數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理可知[5]，當(dāng)輸入振動頻率接近21.95Hz時，第二振型在振動中表現(xiàn)最為明顯，此時

5、柱上端振幅較大，讀數(shù)較明顯。故實驗室實驗時輸入簡諧振動頻率采用20Hz，振幅1g。根據(jù)實驗室實驗數(shù)據(jù)以及初始建模實驗數(shù)據(jù)得出的對比指標(biāo)如表1所示。由模型特征值以及輸出振動數(shù)據(jù)可以明顯看出，初始計算機建模所得模型無法為實驗室模型提供準(zhǔn)確模擬，需進行計算機模型優(yōu)化以達(dá)到為實驗室模擬裝置提供實驗結(jié)果預(yù)測的目的。 2模型優(yōu)化 2.1第一次模型優(yōu)化 根據(jù)初步優(yōu)化模型的結(jié)果，僅修改柱支座轉(zhuǎn)動剛度無法使計算機模型特征接近實驗室模型，所以考慮引入更多變量，以便進行更加精確的調(diào)整。由于實驗室模型上有9段可替換構(gòu)件，所以很自然可以想到每段構(gòu)件的兩端螺栓并不是能認(rèn)為時

6、完全連續(xù)剛性連接。所以這些螺栓連接也需用鏈接加轉(zhuǎn)動彈簧的形式進行模擬。此時共在計算機模型中設(shè)置了21個轉(zhuǎn)動彈簧，并根據(jù)所在位置不同分為4組——支座彈簧、柱彈簧、左梁彈簧以及右梁彈簧，如圖3所示。為簡化模型優(yōu)化過程，假設(shè)同一組內(nèi)所有彈簧轉(zhuǎn)動剛度相同。由于需調(diào)整的變量有4個，而需校準(zhǔn)的目標(biāo)特征值也有4個，所以在優(yōu)化模型前確認(rèn)變量與特征值之間的相關(guān)性可減少大量試錯工作。由第一次優(yōu)化的結(jié)果得知，柱支座彈簧變量與模型第二振型以及柱頂振幅關(guān)聯(lián)較大。而從模型的前三個振型形狀可以大致推斷，右梁彈簧剛度與第一振型相關(guān)性較大，左梁彈簧剛度與第三振型相關(guān)性較大，柱中彈簧則與第二振型以及柱頂振幅相關(guān)性較大。為證實以上

7、推測，進行了4組變量控制實驗，每組實驗僅對4組彈簧中的一組進行轉(zhuǎn)動剛度調(diào)整，其余3組則固定為相對合理的數(shù)值不變。4組變量控制實驗的結(jié)果整理如圖4~圖7所示。由圖4~圖7結(jié)果可以看出，之前所作假設(shè)基本正確：①左梁彈簧轉(zhuǎn)動剛度與第三振型特征相關(guān)性較大；②右梁彈簧轉(zhuǎn)動剛度與第一振型特征相關(guān)性較大；③柱腳約束彈簧轉(zhuǎn)動剛度與第二振型特征相關(guān)性較大；④柱中彈簧轉(zhuǎn)動剛度與三個振型的特征都有一定相關(guān)性，但是調(diào)整柱中彈簧轉(zhuǎn)動剛度對三個振型的特征影響都相對較小。根據(jù)這個思路，經(jīng)過一系列的彈簧轉(zhuǎn)動剛度綜合調(diào)整，最后使計算機模型的振型特征值與實驗室模型的振型特征值相符，取調(diào)整過程主要的組合整理入表2。表3中對比了實驗

8、室模型自振頻率與調(diào)整后計算機模型自振頻率。由第二次優(yōu)化后的對比結(jié)果可知，此次優(yōu)化后的計算機模擬模型的振動特征值與實驗室模型的相應(yīng)特征的誤差在可接受范圍內(nèi)。 2.2第二次模型優(yōu)化 雖然第一次模型優(yōu)化后計算機模擬模型已經(jīng)具備了和實驗室模型相同的振動特征值，但是在相同簡諧振動輸入條件下，計算機模擬模型所得到的柱端振幅為0.86g，而實驗室模型所得的柱端振幅為1.18g，差異達(dá)27.11%。所以尚需對現(xiàn)有模型進行微調(diào)，以確保計算機模型的振幅輸出數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相符。根據(jù)前期調(diào)整過程可以看出，柱腳以及柱中的彈簧轉(zhuǎn)動剛度對于柱端振幅皆有影響。然而考慮到柱腳彈簧轉(zhuǎn)動剛度對于第二

9、振型的自振頻率影響較大，故本次優(yōu)化以通過調(diào)整柱中轉(zhuǎn)動彈簧剛度來對柱端振幅進行微調(diào)。通過幾次調(diào)整實驗數(shù)據(jù)，擬合柱中轉(zhuǎn)動剛度對于振幅的相關(guān)曲線。根據(jù)擬合曲線確定柱中彈簧轉(zhuǎn)動剛度為62kip-in/rad。 3結(jié)論 最終模型優(yōu)化后，4組彈簧的轉(zhuǎn)動剛度為右梁彈簧25kip-in/rad，左梁彈簧25kip-in/rad，柱中彈簧62kip-in/rad，柱腳彈簧120kip-in/rad，模型特征量對比列于表4。最終，三個模型特征值以及一個實驗輸出數(shù)據(jù)的誤差都在2%以內(nèi)，此時可認(rèn)為計算機模擬模型可以滿足預(yù)測實驗結(jié)果、提供可靠實驗數(shù)據(jù)參考的需求。今后的模型優(yōu)化工作可以再引入更多的模型特征值，如左梁中振幅及右梁中振幅等，以求更加精確地優(yōu)化計算機模擬模型。