[发明专利]一种桁架结构刚度和轴力的结构识别方法

说明书

本发明公开了一种基于MATLAB‑ABAQUS交互条件下关于桁架结构刚度和轴力同时识别以评估结构损伤及预测剩余承载力的技术，属于结构损伤识别领域，主要包括四个步骤：建立钢桁架损伤结构的有限元模型；修改inp文件并建立有限元模板文件；输入真实的待识别量并生成inp文件，计算并获得相应节点加速度和杆件应变；模拟估计的待识别量响应；使用目标函数不断优化待识别量直到满足收敛条件，输出最终结果。本发明的主要优势在于：(1)识别钢桁架某一杆件刚度的同时，也可识别同一杆件的轴力；(2)传感器位置没有特殊要求，需识别轴力的杆件不必安装传感器；(3)传感器的数量需求较少。因此，本发明的应用前景较为广阔。

技术领域

本发明是一种基于MATLAB-ABAQUS交互条件下的关于桁架结构刚度和轴力同时识别以评估结构损伤及预测剩余承载力的技术，隶属于结构损伤识别领域。

背景技术

桁架结构损伤识别一直是结构健康监测领域的前沿问题，对钢桁架桥梁结构或大型空间网架结构开展健康监测并评估极具必要性。此种结构单元的主要受力形式为轴向拉压，且杆件轴向力的大小是判断杆件是否正常工作的关键指标，一旦某一杆单元所受轴力超过其承载能力，此杆件有可能已经发生损伤。因此，正确识别杆件轴力为桁架结构的健康状况监测提供了至关重要的预警信息。

目前桁架的结构，如大型钢桁架桥梁、大型体育场馆顶部网架等，特点是杆件多、节点多、单元尺寸大。从经济性考虑，结构健康监测无法为所有的杆件单元布设传感器；从使用寿命考虑，现有传感器大多远比建筑结构的使用寿命短。关键杆件上用于监测其响应的传感器发生损坏或因使用时间过长而造成较大测量精度误差且又难以更换时，转而利用安装在其他杆件上的传感器监测此处损伤情况是一个新途径。因此，用少量传感器监测整体结构损伤，或用正常工作的传感器监测结构关键部位的损伤，是桁架结构健康监测领域亟待解决的新问题之一。

桁架结构相较于其他结构体系，其工作性能不仅依赖于其刚度，也与轴力相关。而当桁架结构受到损伤时，其刚度的变化必然会同时引起轴力的重分布，所以，两者的相互关系对结构单独的刚度识别造成了极大的影响。因此，同时识别桁架结构关键杆件的刚度和轴力的技术方案是解决这一问题的关键。

发明内容

为建立桁架结构刚度和轴力同时识别过程，本部分将发明主要步骤陈述如下：

步骤1：利用有限元分析计算软件ABAQUS建立待识别结构模型，提交计算后生成此模型的同名inp后缀文件。在不打开ABAQUS CAE界面的情况下可直接调用此inp文件进行计算，生成的结果可直接用于模型的后处理。调用inp文件进行计算在ABAQUS的后续处理过程中的实用性显著优于反复生成模型进行计算，且inp文件提供了一个MATLAB软件与ABAQUS软件共同工作的接口，为后续调用MATLAB实施结构损伤和轴力识别奠定了基础；

步骤2：以可编辑形式打开inp文件，将文件中的待识别量以未知数形式表示。此待识别量可设置为模型中某杆的弹性模量，或是模型节点上的外荷载等，经修改后即可改变对应的几何或力学参数。随后，打开MATLAB建立一函数文件并写入步骤一中生成的inp文件，将待识别量作为函数文件中的自变量。在待识别量的搜索空间内随机取值，即可生成与其对应的新的inp文件，记此函数文件为有限元模板文件；

步骤3：定义结构中某一杆件刚度和某一杆件(可异于前一杆件)所受轴力为待识别量，以期同时识别某一杆件的刚度和轴力。将待识别量实际值代入有限元模板文件，生成inp文件且提交至ABAQUS计算，从计算结果fil文件中提取桁架结构真实的应变和加速度响应；

步骤4：将待识别量估计值代入有限元模板文件，此估计值可限于一定范围内，此范围可根据实际情况确定。在待识别量的搜索上下限内生成随机值，生成对应的inp文件，将此inp文件提交至ABAQUS中即可计算出对应桁架结构的应变和加速度响应；