Boundary constraint static model modification of beam structure based on homotopy stochastic finite element method

HU Jianwei; QI Can; ZHU Liping; WU Zhifeng; HUANG Bin; CHEN Xuelong

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.017

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Boundary constraint static model modification of beam structure based on homotopy stochastic finite element method

·Design·Calculation· | 更新时间：2025-02-28

- Boundary constraint static model modification of beam structure based on homotopy stochastic finite element method
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 2, Pages: 138-146(2025)
- 作者机构：
  
  1.中冶武勘工程技术有限公司，武汉 430080
  2.中国葛洲坝集团电力有限责任公司，宜昌 443002
  3.中冶南方武汉建筑设计有限公司，武汉 430000
  4.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070
  5.华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074
- 作者简介：
  
  WU Zhifeng, E-mail: wuzhifeng_tujian@whut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(51978545)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.017
  CLC： TH114
- Received：19 August 2024，
  
  Revised：10 October 2024，
  
  Published：15 February 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
胡建伟，祁灿，朱礼平，等. 基于同伦随机有限元方法的梁结构边界约束静力模型修正［J］. 机械强度，2025，47（2）：138-146.

HU Jianwei，QI Can，ZHU Liping，et al. Boundary constraint static model modification of beam structure based on homotopy stochastic finite element method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（2）：138-146.
胡建伟，祁灿，朱礼平，等. 基于同伦随机有限元方法的梁结构边界约束静力模型修正［J］. 机械强度，2025，47（2）：138-146. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.017.

HU Jianwei，QI Can，ZHU Liping，et al. Boundary constraint static model modification of beam structure based on homotopy stochastic finite element method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（2）：138-146. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.017.

摘要

考虑到结构边界条件的不确定性，基于同伦随机有限元方法，提出了一种梁结构边界约束静力模型修正方法。基于不确定的静力测量数据，实现了梁身单元与边界单元的整体修正。静力凝聚方法能够保证计算自由度与测量自由度相匹配。正则化方法可以减少随机模型修正方程病态解的问题。概率残差最小化法实现同伦系数的最优选择，保证了边界约束的精确识别和整体修正的精度。最后，通过变截面混凝土梁数值算例和铝合金梁的静力加载试验，验证了该方法的有效性。

Abstract

Considering the uncertainty associated with structural boundary conditions

a method for modifying the boundary constraint static model of beam structures was proposed based on the homotopy stochastic finite element method. The overall modification of both the beam body elements and boundary elements was achieved using uncertain static measurement data. By employing the static condensation method

computational degrees of freedom were ensured to match measured degrees of freedom. Regularization methods were applied to mitigate ill-conditioned solutions in modification equations for stochastic models. The probabilistic residual minimization method enables optimal selection of homotopy coefficients

ensured accurate identification of boundary constraints and precise overall modification. Finally

simulations on variable-section concrete beams and static loading tests on aluminum alloy beams were conducted to verify the effectiveness of this approach.

关键词

Keywords

references

翁顺，朱宏平 . 基于有限元模型修正的土木结构损伤识别方法［J］. 工程力学， 2021 ， 38 （ 3 ）： 1 - 16 .

WENG Shun ， ZHU Hongping . Damage identification of civil structures based on finite element model updating ［J］. Engineering Mechanics ， 2021 ， 38 （ 3 ）： 1 - 16 . （In Chinese）

ZAPICO J L ， GONZÁLEZ M P ， FRISWELL M I ， et al . Finite element model updating of a small scale bridge ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2003 ， 268 （ 5 ）： 993 - 1012 .

FRISWELL M I ， MOTTERSHEAD J E ， AHMADIAN H . Finite-element model updating using experimental test data：parametrization and regularization ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A：Mathematical，Physical and Engineering Sciences ， 2001 ， 359 （ 1778 ）： 169 - 186 .

PARK Y S ， KIM S ， KIM N ， et al . Evaluation of bridge support condition using bridge responses ［J］. Structural Health Monitoring ， 2019 ， 18 （ 3 ）： 767 - 777 .

PARK Y S ， KIM S ， KIM N ， et al . Finite element model updating considering boundary conditions using neural networks ［J］. Engineering Structures ， 2017 ， 150 ： 511 - 519 .

KIM S H ， PARK Y S ， KIM N G ， et al . Finite element model updating of simple beam considering boundary conditions ［J］ Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection ， 2018 ， 22 （ 2 ）： 76 - 82 .

黄斌，常晓林，瞿伟廉 . 边界约束刚度不确定的结构振动特征值［J］. 计算力学学报， 2002 ， 19 （ 4 ）： 427 - 430 .

HUANG Bin ， CHANG Xiaolin ， QU Weilian . Vibration eigenvalues of structures with uncertain boundary restrict stiffness ［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics ， 2002 ， 19 （ 4 ）： 427 - 430 . （In Chinese）

张妃二，禹智涛 . 结构强度可靠性分析的模糊随机边界元法［J］. 计算力学学报， 2003 ， 20 （ 1 ）： 90 - 94 .

ZHANG Feier ， YU Zhitao . Reliability analysis of structural strength for fuzzy stochastic boundary element method ［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics ， 2003 ， 20 （ 1 ）： 90 - 94 . （In Chinese）

蔡永昌，朱合华 . 在无单元法里直接准确施加位移边界条件和材料不连续条件［J］. 计算力学学报， 2004 ， 21 （ 6 ）： 740 - 745 .

CAI Yongchang ， ZHU Hehua . Direct imposition of essential boundary and material discontinuity conditions in the meshless method ［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics ， 2004 ， 21 （ 6 ）： 740 - 745 . （In Chinese）

李英超，张敏，李华军 . 利用不完备实测模态修正杆系结构约束边界条件［J］. 工程力学， 2013 ， 30 （ 1 ）： 288 - 294 .

LI Yingchao ， ZHANG Min ， LI Huajun . Model updating for constraint boundary conditions of member structures using incomplete measured modes ［J］. Engineering Mechanics ， 2013 ， 30 （ 1 ）： 288 - 294 . （In Chinese）

WANG S Q . Model updating and parameters estimation incorporating flexible joints and boundary conditions ［J］. Inverse Problems in Science and Engineering ， 2014 ， 22 （ 5 ）： 727 - 745 .

SHI Z ， HONG Y ， YANG S L . Updating boundary conditions for bridge structures using modal parameters ［J］. Engineering Structures ， 2019 ， 196 ： 109346 .

邹向农，龙俊贤，阳德高，等 . 考虑边界约束条件的悬索桥有限元模型修正研究［J］. 铁道科学与工程学报， 2019 ， 16 （ 5 ）： 1223 - 1230 .

ZOU Xiangnong ， LONG Junxian ， YANG Degao ， et al . Finite element model updating for a suspension bridge considering the boundary constraint conditions ［J］. Journal of Railway Science and Engineering ， 2019 ， 16 （ 5 ）： 1223 - 1230 . （In Chinese）

秦仙蓉，郝婼兰，徐俭，等 . 考虑边界条件不确定性的塔机有限元模型修正［J］. 振动测试与诊断， 2018 ， 38 （ 1 ）： 92 - 96 .

QIN Xianrong ， HAO Ruolan ， XU Jian ， et al . Finite element model updating of a tower crane including boundary condition uncertainty ［J］. Journal of Vibration ，Measurement & Diagnosis， 2018 ， 38 （ 1 ）： 92 - 96 . （In Chinese）

邬晓敬，肖华，张伟伟，等 . 一种基于试验模态参数的结构边界条件优化设计方法［J］. 西北工业大学学报， 2014 ， 32 （ 5 ）： 707 - 712 .

WU Xiaojing ， XIAO Hua ， ZHANG Weiwei ， et al . Optimization method for uncertain boundary constraint of structure dynamical model based on test modal parameter ［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University ， 2014 ， 32 （ 5 ）： 707 - 712 . （In Chinese）

ZHANG H ， HUANG B ， LIU Y H ， et al . A new stochastic residual error based homotopy approach for stability analysis of structures with large fluctuation of random parameters ［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering ， 2023 ， 124 （ 1 ）： 183 - 216 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

ANALYSIS AND TEST METHODS OF SUSPENSION STRUCTURE OF AIRBORNER MISSILE

Related Author

SONG Lei

ZHANG Jin

WANG CongWei

JIN Ling

XU JunWei

Related Institution

China Academy of Launch Vehicle Technology

⁰