利用交叉模型交叉模态的结构模型修正方法

摘要

一种利用交叉模型交叉模态的结构模型修正方法，通过对有限元模型的刚度矩阵和质量矩阵进行调整，使之达到通过特征计算得到的模态频率与振型与实际结构匹配。因此对于有限元模型的每个单元，对于刚度矩阵和质量矩阵分别有两个修正系数。通过对结构有限元数值模型和实验实际模型的比较计算，得到每个单元的修正系数，从而对刚度矩阵和质量矩阵进行修正，达到模型修正的目的。本发明兼有直接矩阵法和间接物理特性调整法的优点，不需迭代，提高了工作效率，而且能够保持结构模型的物理联系性。此外，本方法中所需要的实测振型不需要质量归一化，与基于输出响应的模态参数识别技术结合，可以进行环境激励下的海洋平台结构模型修正，因而该方法更具有实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用交叉模型交叉模态的结构模型修正方法，特别是针对海洋工程结构物的有限元模型修正方法。

背景技术

有限元方法，也叫有限单元法，是将物体离散成有限的单元，通过对各个单元的具体分析，然后在此基础上综合分析的一种数值方法。其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。有限元方法是建立各种结构系统数值模型最为常用的方法。

模型修正即为采用由相关的实验模型得到的数据来修改数值模型中的某些参数的数值，使修正后的模型能够更加准确的反应实际结构的动力特性的过程。与模型修正密切相关的是基于模型的损伤诊断方法——将修正后的矩阵与原先相关联的矩阵相比较作为损伤的指标可以判断出损伤的位置和损伤的程度。

模型修正根据要修正的参数的类型和使用的测量数据分为许多方法。通常，模型修正方法可以被分为两大类：直接的矩阵型方法和间接的物理特性调整方法。第一种方法是非迭代方法，直接对质量和刚度矩阵进行修正。当修正模型与实验模型的特性相近时，这种方法是有效的，但是得到的模型往往不具有物理意义。第二种方法则通过对参数的调整来进行修正，更贴近于物理意义，对于每个独立的有限元或对于每个有限元的每个设计参数设定修正系数。这种方法被视为修正技术的发展方向，但是应用时因为迭代计算会花费更多的机时，造成工作效率低。

工程结构，特别是海洋平台等海洋结构，结构复杂、体积庞大、造价昂贵。由于所处的海洋环境十分复杂，一方面，海洋环境动力因素、环境腐蚀、构件缺陷、机械损伤会引起结构刚度的变化；另一方面，海生物附着、平台设备或储油(水)的改变必然引起结构质量的变化。因此，如何考虑到实际结构的变化进行有物理意义的模型修正，对海洋平台等海洋工程结构的建模尤其重要。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的结构模型修正方法不具有实际物理意义或迭代计算花费机时过多，工作效率低等问题，提出新的模型修正方法-交叉模型交叉模态法，这种方法同时修正刚度和质量矩阵，兼有直接矩阵法和间接物理特性调整法的优点，不需迭代，节省机时，而且能够保持结构模型的物理联系性。

结构有限元数值模型和实验实际模型主要体现于模态频率和振型的差异，要修正这些模态参数，就要通过对有限元模型的刚度矩阵和质量矩阵进行调整。使其动力特性与实际结构匹配。因此对于有限元模型的每个单元，其刚度矩阵和质量矩阵分别有两个修正系数。通过对结构有限元数值模型和实验实际模型的比较计算，得到每个单元的修正系数，从而对刚度矩阵和质量矩阵进行修正，达到模型修正的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种利用交叉模型交叉模态的结构模型修正方法，包括以下步骤：

a)用计算机软件建立结构的有限元数值模型；

b)将上述结构模型的模态参数计算出并将数据存储入专用存储器中；

c)利用传感器测试实验模型的结构动力响应数据并通过模态识别技术得到模态参数信息，存储入专用存储器中；

d)利用结构模型和实验模型的模态参数，进行结构模型修正，即：从所述专用存储器中读取上述步骤b)、c)中存储的参数信息，并从有限元模型中提取出N_i阶模态，从实验模型中提取出N_j阶模态，通过两个模型(有限元和实验模型)的交叉，以及不同阶的模态交叉形成交叉模型交叉模态方程，写为矩阵形式，有：Cα+Eβ＝f

式中C和E分别是N_m×N_k阶矩阵和N_m×N_M阶矩阵；α和β为N_K和N_M阶列向量；f为N_m阶列向量。由此式可写为：Gγ＝f

式中：G＝[C E]