[发明专利]基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法

说明书

本发明提供一种基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法，包括步骤：S1：搭建薄壁钢结构实体几何信息重构模块；S2：搭建所述薄壁钢结构实体模态信息识别模块；S3：开发模态应力场分析算法，并基于所述模态应力场分析算法搭建所述薄壁钢结构的应力场修正模块；S4：为所述应力场修正模块的启停开关设定阈值；S5：统筹所构建的所述几何信息重构模块、所述模态信息识别模块和所述应力场修正模块与启停节点功能，实现所述薄壁钢结构的高保真度有限元仿真。本发明的一种基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法，实现薄壁钢结构的高保真有限元建模分析。

技术领域

本发明涉及建筑钢结构力学试验数值仿真以及健康监测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法。

背景技术

在工程中通常允许薄壁型钢发生局部或整体屈曲并且会利用其屈曲后强度提升材料利用率，其屈曲行为极易受构件材性、残余应力、几何缺陷、边界条件及构件损伤等因素影响，而在针对此类结构的仿真分析时，往往对上述因素的假定与拟合不够准确，无形中为计算结果带来误差，导致无法准确预测结构承载力。为规避上述因素对仿真结果的干扰，除借助材性试验、加工残余应力检测、初始几何缺陷测定、损伤识别等传统手段提升建模精度外，算法驱动的仿真误差识别与补偿也是一种有效手段；但鉴于影响因素众多，依旧存在检测工序繁杂、补偿机制片面、优化效果不达预期等问题。此外，虚体建模过程中，创建一个与结构实体具备完全一致几何、物理特征以及约束条件的力学模型本身就是一项极具挑战的工作。因此，借助数字孪生概念，提出一种既能以结构物理实体映射实现自动化三维建模，又能综合多项误差补偿机制实现钢结构高保真度有限元模拟的仿真方法，对于薄壁钢结构安全运营与管理维护具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法，以数字孪生范式为主干，综合利用点云三维重构、机器学习算法、运行模态分析实现薄壁钢结构的高保真有限元建模分析。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于数字孪生的薄壁钢结构力学试验与仿真方法，包括步骤：

S1：搭建薄壁钢结构实体几何信息重构模块，利用点云数据处理算法实现薄壁钢结构有限元三维几何模型的自动重构；

S2：搭建所述薄壁钢结构实体模态信息识别模块，利用OMA方法分析所述薄壁钢结构激振响应进而提取所述薄壁钢结构的真实模态参数；

S3：开发模态应力场分析算法，并基于所述模态应力场分析算法搭建所述薄壁钢结构的应力场修正模块，利用机器学习算法由输入实测模态参数拟合出结构应力场；

S4：为所述应力场修正模块的启停开关设定阈值，结合联合指标的参数形式和仿真精度要求为所述结构应力场修正开启设定一个启停界限；

S5：统筹所构建的所述几何信息重构模块、所述模态信息识别模块和所述应力场修正模块与启停节点功能，实现所述薄壁钢结构的高保真度有限元仿真。

优选地，所述S1步骤中，对所述薄壁钢结构进行三维扫描、点云建模与分割、薄壁构件中性轴自动提取以及冲映射与拼接；其中所述薄壁构件中性轴提取包括点云切片、切片质心提取、质心坐标映射和中性轴拟合相关工序。

优选地，所述S2步骤中，对所述薄壁钢结构的激励响应进行分析，对于平稳激励下的非时变信号利用频域分解法从频响函数中识别和计算出所述薄壁钢结构的频率、振型和阻尼比；对于响应信号为时变信号的情况，则采取时频法对相关参数进行分析。

优选地，所述S3步骤中，所述开发模态应力场分析算法进一步包括步骤：

S31：利用所述几何信息重构模块和所述模态信息识别模块，依托假定的各个初始应力场，拟定加载方案产生原始样本，并以所述联合指标为参照选择合适样本纳入训练集；