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基于逆有限元法的形状还原传感阵列及桥梁挠度监测试验

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工程力学 2022年第11期39卷 89-96页

作者：雷雨恒任亮李宏男尤润州魏易博大连理工大学建设工程学部辽宁大连116024

桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标,对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列,该传感阵列基于逆有限元方法,仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。... 详细信息

桥梁挠度是桥梁工程从设计阶段到运维阶段的重要控制指标,对其进行实时监测对桥梁工程的性能评估至关重要。该文提出一种形状还原传感阵列,该传感阵列基于逆有限元方法,仅通过有限点的实测应变数据即可实时、准确地还原出桥梁挠曲线。详细阐述了逆有限元法基本原理与形状还原传感阵列装置,将该项技术应用于混凝土自锚式悬索桥梁模型进行挠度监测试验研究,分别对桥梁模型进行静态加载与动态加载,通过水准仪与激光位移计对还原得到的挠曲线形状与精度进行验证。结果表明:形状还原传感阵列对于桥梁挠度的监测具有易于安装、数据准确、实时性好的优点,不仅可以准确还原出桥梁挠度,而且可以实时反演出桥梁挠曲线形状,能够有效地评估桥梁工程性能质量。

关键词：桥梁挠度逆有限元法形状还原传感阵列结构监测欧拉-伯努利梁

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基于应变梯度理论和逆有限元法的Timoshenko梁形状传感建模

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Acta Mechanica Sinica 2023年第12期39卷 71-85页

作者：赵飞飞郭彦浩保宏王伟张峰 School of Electronic Engineering Xidian University Xi’an 710071 China School of Mechanics Civil Engineering and Architecture Northwestern Polytechnical University Xi’an 710072 China

大型结构的几何非线性变形严重威胁着结构体系的安全.因此,对在役结构变形进行实时监测具有重要意义.然而,目前基于线弹性理论提出的逆有限元法(iFEM)并不适用于非线性变形,为此,提出了一种非线性逆有限元法来建立结构形状感知模型.首... 详细信息

大型结构的几何非线性变形严重威胁着结构体系的安全.因此,对在役结构变形进行实时监测具有重要意义.然而,目前基于线弹性理论提出的逆有限元法(iFEM)并不适用于非线性变形,为此,提出了一种非线性逆有限元法来建立结构形状感知模型.首先给出了应变梯度Timoshenko梁模型的运动学和动力学变量,并建立了其几何非线性变形控制方程.然后,推导出了转角函数的解析解,并建立了非线性形状感知模型.其中,采用等几何分析(IGA)方法构造插值形状函数.由于位移函数以旋转形式表示,所以可以有效地避免“剪切锁定”问题.随后,利用离散表面应变测量值推导出了实际转角函数,并建立了转角自由度在直角坐标系与曲线坐标系之间转换关系.最后,以一悬臂梁为例,将重构位移与理论位移进行了比较.数值结果表明,不论是集中荷载还是分布荷载,所提的非线性逆有限元法均具有良好的重构性能,重构误差都小于2.5%.

关键词： Timoshenko梁应变梯度理论逆有限元法转角自由度直角坐标系形状函数曲线坐标系等几何分析

基于iBeam3单元逆有限元法的冻土区管道变形研究

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工程力学 2022年第10期39卷 61-67页

作者：朱梦杰任亮李宏男王嘉健尤润州大连理工大学建设工程学部辽宁大连116024

形状传感技术结合了应变-形状算法,使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化,可实现动态实时监测。该文提出了一种基于i Beam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。建立了基于iBeam3单元... 详细信息

形状传感技术结合了应变-形状算法,使测点的应变与空间位置对应。该技术能真实地反映待测物的空间姿态与形状变化,可实现动态实时监测。该文提出了一种基于i Beam3单元的逆有限元法来实现管道变形状况的实时监测。建立了基于iBeam3单元的逆有限元法的理论框架模型;试验验证了其合理性;设计了冻土区管道变形试验,结合应变传感器所测表面应变信息建立逆有限元分析模型;实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果表明:该方法不仅能实时监测管道随土体冻融循环的完整变形过程,而且可以保证精度。在解决寒区管道结构健康监测问题上潜力巨大。

关键词：管道结构结构健康监测逆有限元法形状传感光纤光栅传感器

基于逆有限元法和网格映射的板材成型坯料优化

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上海交通大学学报 2019年第11期53卷 1389-1394页

作者：张向奎王洋王长生胡平大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室

在金属板材成型中.坯料经拉延成型后得到无缺陷与无多余材料的零件.意味着坯料设计必须合理.由于坯料的非均匀流动和各向异性特性产生的凸耳与不均匀法兰,成型零件与目标零件存在形状差异.为获得合理的坯料,提出节点网格映射方法.结合... 详细信息

在金属板材成型中.坯料经拉延成型后得到无缺陷与无多余材料的零件.意味着坯料设计必须合理.由于坯料的非均匀流动和各向异性特性产生的凸耳与不均匀法兰,成型零件与目标零件存在形状差异.为获得合理的坯料,提出节点网格映射方法.结合逆有限元分析和增量分析,根据映射关系和材料点流动趋势优化坯料形状.为了验证提出的方法.分别对方盒件成型和某电动车B柱成型进行坯料设计.结果表明,对于较为复杂的工业零件,所提出的方法经过有限次优化后可得到合理坯料形状,所需的目标零件形状与采用合理坯料成型后的形状一致.

关键词：逆有限元法坯料设计节点网格映射方法板料成型

改进型逆有限元法在某轿车翼子板快速成形模拟中的应用

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塑性工程学报 2006年第1期13卷 1-4页

作者：闫亚坤庄蔚敏那景新吉林大学机械科学与工程学院长春1300223 吉林大学汽车工程学院长春130022

为提高一步成形逆有限元法的模拟精度,将四节点等参膜单元应用于一步成形计算,并对空间四边形单元的四个节点可能不在同一平面引起的单元翘曲进行了修正,编写了计算机程序,对某轿车翼子板进行了实际模拟,通过一步模拟结果与增量法模拟... 详细信息

为提高一步成形逆有限元法的模拟精度,将四节点等参膜单元应用于一步成形计算,并对空间四边形单元的四个节点可能不在同一平面引起的单元翘曲进行了修正,编写了计算机程序,对某轿车翼子板进行了实际模拟,通过一步模拟结果与增量法模拟结果和实验结果的对比,发现改进后的一步成形模拟结果与增量模拟结果已非常接近,而计算时间不到增量法的1/30,进而验证了本文方法的有效性。

关键词：一步成形逆有限元法等参膜单元翘曲修正

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基于逆有限元法的三维壁板结构变形场重构

工程力学 2024年第6期41卷 235-245页

作者：胡明月吴邵庆董萼良东南大学土木工程学院工程力学系江苏南京211189 东南大学江苏省工程力学分析重点实验室江苏南京211189 东南大学江苏省空天机械装备工程研究中心江苏南京211189

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变... 详细信息

过约束状态下的结构内部转角不连续,会导致结构变形场难以准确重构。该文以飞行器进气道典型三维壁板结构为对象,开展超静定状态下结构变形场重构方法研究。将子区域划分与逆有限元法相结合,实现了基于实测应变数据的超静定结构全场变形重构。对静载工况下三维壁板结构开展变形场重构数值仿真研究,验证算法的可行性和重构精度;进一步开展了试验研究,实现了变载荷工况下基于实测应变的三维壁板结构全场变形重构,并利用实测位移数据验证重构变形场的精度。试验结果表明:位移测点处的重构位移值与实测位移值的相对误差在10%左右,结合子区域划分和逆有限元法的变形重构算法可以准确重构出过约束工况下三维壁板结构的全场变形。

关键词：工程力学全场变形重构逆有限元法三维壁板结构子区域划分

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基于逆有限元法的船体加筋板结构位移场重构

船舶工程 2024年第7期46卷 50-57页

作者：孙良晖张慧虹李至华张猛哈尔滨工程大学烟台研究院学院山东烟台265502 上海船舶设备研究所上海200031

在船舶遭遇事故时,加筋板是最先受到载荷的结构,为了解该结构在动载荷作用下的位移场,以船体加筋板结构为对象,通过逆有限元法(iFEM)对结构在时域动态载荷作用下的位移场进行重构。先对其进行模态分析,确定其固有频率后对结构施加频率超... 详细信息

在船舶遭遇事故时,加筋板是最先受到载荷的结构,为了解该结构在动载荷作用下的位移场,以船体加筋板结构为对象,通过逆有限元法(iFEM)对结构在时域动态载荷作用下的位移场进行重构。先对其进行模态分析,确定其固有频率后对结构施加频率超过1阶固有频率的动态载荷,然后进行有限元动态响应模拟,将得到的节点位移结果作为参考解,并将应变数据作为逆有限元输入应变数据进行位移场重构。提出一种较精确的测点布置方案,与其他数量相近但布置方式不同的测点布置方案相比,该测点布置方案的位移场重构误差降低了一半以上,总体保持在5%以内。

关键词：逆有限元法船体加筋板位移场重构 iQS4逆单元模态分析

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基于逆有限元法的结构位移与应变场反演方法

传感器与微系统 2024年第7期43卷 114-117页

作者：岳应萍吴国庆蒋镇涛曾捷朱清峰陈国材南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京210016 中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

舰船梯形结构作为封盖船体或将其分隔成层的平面板状结构,对于保证船体强度及不沉性具有重要作用。梯形结构受力不均匀会产生巨大拉扯力,易造成梯形结构变形与疲劳应力集中。基于此,本文提出研究一种基于逆有限元法(iFEM)和光纤应变感... 详细信息

舰船梯形结构作为封盖船体或将其分隔成层的平面板状结构,对于保证船体强度及不沉性具有重要作用。梯形结构受力不均匀会产生巨大拉扯力,易造成梯形结构变形与疲劳应力集中。基于此,本文提出研究一种基于逆有限元法(iFEM)和光纤应变感知的舰船梯形结构位移与应变场反演方法,并给出了相应光纤Bragg光栅(FBG)传感器布局形式。利用Ansys有限元分析方法,开展了基于仿真结果的相关反演方法验证。在此基础上,构建了基于光纤传感器的梯形结构位移、应变分布监测与反演实验系统。研究表明,双端固支梯形结构的位移重构均方根误差(RMSE)为0.076,应变场重构平均相对误差为6.59%。本文所提方法突破了iFEM因形函数阶次低而无法直接求解结构应变场的难题,能够为舰船梯形结构健康监测与舰载武器基座位姿精度提升提供技术支撑。

关键词：逆有限元法梯形结构光纤Bragg光栅传感器位移应变场反演

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基于逆有限元法的冻土区管道冻融变形监测方法研究

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基于逆有限元法的冻土区管道冻融变形监测方法研究

作者：朱梦杰大连理工大学

学位级别：硕士

管道建设水平随着近些年基建行业的蓬勃发展在国内快速提升,作为紧密关系着国民经济的重要资源,管道安全问题的解决与保护措施的开展刻不容缓。由于早期管道建设的技术、设计、施工水平和材料缺陷的问题,管道运营存在不少安全隐患。一... 详细信息

管道建设水平随着近些年基建行业的蓬勃发展在国内快速提升,作为紧密关系着国民经济的重要资源,管道安全问题的解决与保护措施的开展刻不容缓。由于早期管道建设的技术、设计、施工水平和材料缺陷的问题,管道运营存在不少安全隐患。一旦这些重点工程发生破坏或者产生泄露,极可能造成火灾爆炸事故,产生重大的损失与影响。如今工程师们认识到提高管理水平,保障管道正常运营是当前一项重要任务,而作为保障安全运营的一项重要工作便是管道的检测工作。管道结构的健康检测可极大降低安全事故的发生概率。国内外科研学者提出众多管道检测的方式,都助推管道检测技术的快速发展。本文主要提出了将逆有限元算法与光纤光栅传感技术相结合的方式,用以实时了解恶劣环境下管道的运行状况,及时了解管道信息,方便检修维护工作。主要内容为:第一章为本文的绪论部分,首先介绍了近些年寒区管道建设的基本状况,冻土区管道基本灾害及管线破坏的危害性,管道保护的重要意义等。其次阐述了冻土区管道变形研究的主要成果与进展。然后总结了工程实践中使用的管道检测方式以及国内外管道检测技术的发展。这些技术现已被广泛运用于各类工程领域,其中本章着重介绍了光纤光栅传感技术。作为一种近些年被迅速应用的新技术,光纤光栅传感技术安全性高、耐腐蚀、精度高、且抗电磁干扰,这些优秀性能使其成为工程检测领域的新宠。最后提出对于管道检测研究在寒区的安全性能监测的难点与改进意见,进而提出本文的主要研究重点并介绍文章主要研究内容。第二章主要解释了逆有限元算法的基本原理,并且应用了适合于解决管道单元的基于i Beam3单元的逆有限元算法,该算法创建了两节点的逆梁单元,用离散的应变值构件数学模型模拟构件的变形状况。该方法可在构件的受力状态与材料性能信息缺失的情况下,直接通过测点应变值还原构件的空间位置变化,不仅简化计算,更具有实用性。同时,通过有限元软件建立薄梁模型,提出了两种可靠性能较高的测量布置方案,并将逆有限元算法还原节点位移与有限元软件计算的节点位移进行数值比较,验证了算法还原的适用性与准确度。第三章主要设计了管道加载试验,建立了逆有限元算法理论框架模型。通过三种不同工况的荷载作用,选择合适的测点布置方案进行形状传感的还原过程。试验比较了实测节点与对应框架模型还原后的节点的位移值,结果证明了逆有限元算法对于管道结构构件的重构效果良好,试验精度具有可靠保障,可运用于工程实践的安全检测工作中。第四章在充分了解季节性冻土的冻胀和融沉原理的基础上,模拟冻土区管道在冻融循环状态下受力情形,设计了冻土区管道变形试验,使用光纤光栅传感技术进行管道应变数据的采集并结合逆有限元算法建立数学理论框架。通过应变传感器所测表面应变信息建立的逆有限元分析模型实现了在整个冻融循环过程中对管道形状的重建。试验结果不仅证明了光纤光栅传感技术在复杂受力状态下的良好的数据采集性能,更证明了逆有限元的算法模型在实践应用中具有较高的准确性和适应性。

关键词：管道结构结构健康监测逆有限元法形状传感光纤光栅传感器