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一种基于CAE 软件的建筑有限元模型的修正方法

阅读：773发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于CAE 软件的建筑有限元模型的修正方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于CAE 软件的建筑有限元模型的修正方法，包括以下步骤：步骤一：通过数码设备或工程图采集图像，根据实际需求对图像进行增强处理并调整像素尺寸；步骤二：在CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分，从而得到简单的建筑有限元模型；步骤三：确定参数变量X；步骤四：采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数；步骤五：基于步骤四的修正参数，采用响应面法得出有限元模型二次修正参数；步骤六：基于有限元模型二次修正参数进行修正的有限元模型即为最终修正后有限元模型。本发明通过CAE软件得到初始的简单的建筑有限元模型，精度更高，误差更小，同时提高了模型修正的精度。，下面是一种基于CAE 软件的建筑有限元模型的修正方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于CAE 软件的建筑有限元模型的修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：通过数码设备或工程图采集图像，根据实际需求对图像进行增强处理并调整像素尺寸；
步骤二：在CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分，从而得到简单的建筑有限元模型；
步骤三：确定参数变量X；
步骤四：采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数；
步骤五：基于步骤四的修正参数，采用响应面法得出有限元模型二次修正参数；
步骤六：基于有限元模型二次修正参数进行修正的有限元模型即为最终修正后有限元模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，其特征在于：步骤二中CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分按照以下方法进行：几何模型模型尺寸与图像反映的实物尺寸相同，简单有限单元模型单元数和划分方式与图像像素数和划分方式保持一致，每个单元的长度由图像中每个像素所反映的实物真实长度决定。
3.根据权利要求1所述的一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，其特征在于：步骤三中参数变量X＝【E.ρ.μ】,其中E为混凝土弹性模量，ρ为混凝土密度，μ为波松比。
4.根据权利要求1所述的一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，其特征在于：步骤四中采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数具体包括以下步骤：
1)、其中步骤四中，根据建筑有限元模型初始参数，采用正交设计法确定初始参数取值范围，将每个参数变量的取值划分为n1个水平；
2)、根据参数取值，采用正交设计表及其使用表选取参数水平组合进行计算，每次试验即为一次有限元模型计算，得出每次试验相应的修正参数；
3)、根据2)中得出的参数取平均值。
5.根据权利要求1所述的一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，其特征在于：采用响应面法得出有限元模型二次修正参数具体包括以下步骤：a、从正交设计法和均匀设计法参数变量X中随机选取ns个参数向量样本点，通过正交试验和均匀试验即得响应面目标函数Y的样本点数值，Y＝{y1,y2,...,yns}；
b、根据响应面方法原理，利用参数变量X和响应面目标函数Y的样本点数值回归分析得待定因子的最小二乘估计值，进而获得响应面目标函数Y，即得响应面函数；
c、采用响应面目标函数Y代替结构的真实频率，通过数学优化方法对响应面函数进行优化，得响应面目标函数Y与误差项函数最小时的参数变量取值，基于此参数变量的结构有限元模型即为建筑二次修正后的有限元模型。

说明书全文

一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑有限元模型技术领域，具体为一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法。

背景技术

[0002] 有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求,建立合适的,能模拟实际结构的有限元模型。在连续体离散化及用有限个参数表征无限个形态自由度过程中不可避免的引入了近似，为使分析结果有足够的精度,所建立的有限元模型必须在能量上与原连续系统等价。具体应满足下述准则:1)有限元模型应满足平衡条件；2)变形协调条件；3)必须满足边界条件；4)刚度等价原则； 5)认真选取单元,使之能很好的反映结构构件的传力特点,尤其是对主要受力构件应该做到尽可能的不失真；6)应根据结构特点,应力分布情况,单元的性质,精度要求及其计算量的大小等仔细划分计算网络；7)在几何上要尽可能地逼近真实的结构体,其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题；8)仔细处理载荷模型,正确生成节点力,同时载荷的简化不应该跨越主要的受力构件；9) 质量的堆积应该满足质量质心,质心矩及其惯性矩等效要求；10)超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小。

[0003] 现有的模型修正技术主要分为两大类：一种是针对已建立的有限元模型结构进行局部的优化修正，一种是针对有限元模型的参数进行修正。前者主要是针对关键位置的有限元模型进行网格再划分，增加关键部位的网格数量，这样会增加有限元分析时的计算时间，如果建模过程中是严格按照建筑的设计图纸进行的，这种修正方法的修正效果不是很明显；对于参数进行修正一般会受外界因素干扰，例如噪音的影响，导致修正效果欠佳，有介于此，需要开发一种新的基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，该方法能够有效的解决现有技术中的问题，尤其是现有建筑有限元模型的修正效率低和修正精度低的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一：通过数码设备或工程图采集图像，根据实际需求对图像进行增强处理并调整像素尺寸；

[0007] 步骤二：在CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分，从而得到简单的建筑有限元模型；

[0008] 步骤三：确定参数变量X；

[0009] 步骤四：采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数；

[0010] 步骤五：基于步骤四的修正参数，采用响应面法得出有限元模型二次修正参数；

[0011] 步骤六：基于有限元模型二次修正参数进行修正的有限元模型即为最终修正后有限元模型。

[0012] 优选的，步骤二中CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分按照以下方法进行：几何模型模型尺寸与图像反映的实物尺寸相同，简单有限单元模型单元数和划分方式与图像像素数和划分方式保持一致，每个单元的长度由图像中每个像素所反映的实物真实长度决定。

[0013] 优选的，步骤三中参数变量X＝【E.ρ.μ】,其中E为混凝土弹性模量， ρ为混凝土密度，μ为波松比。

[0014] 优选的，步骤四中采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数具体包括以下步骤：

[0015] 1)、其中步骤四中，根据建筑有限元模型初始参数，采用正交设计法确定初始参数取值范围，将每个参数变量的取值划分为n1个水平；

[0016] 2)、根据参数取值，采用正交设计表及其使用表选取参数水平组合进行计算，每次试验即为一次有限元模型计算，得出每次试验相应的修正参数；

[0017] 3)、根据2)中得出的参数取平均值。

[0018] 优选的，采用响应面法得出有限元模型二次修正参数具体包括以下步骤： a、从正交设计法和均匀设计法参数变量X中随机选取ns个参数向量样本点，通过正交试验和均匀试验即得响应面目标函数Y的样本点数值，Y＝ {y1,y2,...,yns}；

[0019] b、根据响应面方法原理，利用参数变量X和响应面目标函数Y的样本点数值回归分析得待定因子的最小二乘估计值，进而获得响应面目标函数Y，即得响应面函数；

[0020] c、采用响应面目标函数Y代替结构的真实频率，通过数学优化方法对响应面函数进行优化，得响应面目标函数Y与误差项函数最小时的参数变量取值，基于此参数变量的结构有限元模型即为建筑二次修正后的有限元模型。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0022] 本发明通过CAE软件得到初始的简单的建筑有限元模型，并采用正交设计法完成初步参数优化，再采用均匀设计法在初步优化参数的基础上完成一次参数修正，基于正交设计与均匀设计相结合的设计方法，不但可考虑各因素的交互作用，而且在试验次数增加不多的情况下水平区间可以取得尽量小，从而精度更高，误差更小，同时本发明在一次模型修正的基础上进行响应面的二次修正，提高了模型修正的精度。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 本发明提供的一种实施例：一种基于CAE软件的建筑有限元模型的修正方法，包括以下步骤：

[0025] 步骤一：通过数码设备或工程图采集图像，根据实际需求对图像进行增强处理并调整像素尺寸；

[0026] 步骤二：在CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分，从而得到简单的建筑有限元模型；

[0027] 步骤三：确定参数变量X；

[0028] 步骤四：采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数；

[0029] 步骤五：基于步骤四的修正参数，采用响应面法得出有限元模型二次修正参数；

[0030] 步骤六：基于有限元模型二次修正参数进行修正的有限元模型即为最终修正后有限元模型。

[0031] 其中，步骤二中CAE软件中建立二维矩形或三维长方体几何模型并实现对几何模型的网格划分按照以下方法进行：几何模型模型尺寸与图像反映的实物尺寸相同，简单有限单元模型单元数和划分方式与图像像素数和划分方式保持一致，每个单元的长度由图像中每个像素所反映的实物真实长度决定。

[0032] 步骤三中参数变量X＝【E.ρ.μ】,其中E为混凝土弹性模量，ρ为混凝土密度，μ为波松比。

[0033] 步骤四中采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数具体包括以下步骤：

[0034] 1)、其中步骤四中，根据建筑有限元模型初始参数，采用正交设计法确定初始参数取值范围，将每个参数变量的取值划分为n1个水平；

[0035] 2)、根据参数取值，采用正交设计表及其使用表选取参数水平组合进行计算，每次试验即为一次有限元模型计算，得出每次试验相应的修正参数；

[0036] 3)、根据2)中得出的参数取平均值。

[0037] 采用响应面法得出有限元模型二次修正参数具体包括以下步骤：a、从正交设计法和均匀设计法参数变量X中随机选取ns个参数向量样本点，通过正交试验和均匀试验即得响应面目标函数Y的样本点数值，Y＝ {y1,y2,...,yns}；

[0038] b、根据响应面方法原理，利用参数变量X和响应面目标函数Y的样本点数值回归分析得待定因子的最小二乘估计值，进而获得响应面目标函数Y，即得响应面函数；

[0039] c、采用响应面目标函数Y代替结构的真实频率，通过数学优化方法对响应面函数进行优化，得响应面目标函数Y与误差项函数最小时的参数变量取值，基于此参数变量的结构有限元模型即为建筑二次修正后的有限元模型。

[0040] 下面以30层的高楼为例来对本发明的修正方法进行说明，30层的楼高为 90米，楼层与楼层间采用混凝土浇灌成型，混凝土的密度值在1.95x103 -2.5x103之间，混凝土弹性模量值在2.55x104-3.8x104MPa之间，波松比为2％，可以计算出参数变量X，并取平均数；采用正交设计法和均匀设计法得出有限元模型一次修正参数；再采用响应面法得出有限元模型二次修正参数；最终得到修正后的建筑有限元模型。

[0041] 本发明通过CAE软件得到初始的简单的建筑有限元模型，并采用正交设计法完成初步参数优化，再采用均匀设计法在初步优化参数的基础上完成一次参数修正，基于正交设计与均匀设计相结合的设计方法，不但可考虑各因素的交互作用，而且在试验次数增加不多的情况下水平区间可以取得尽量小，从而精度更高，误差更小，同时本发明在一次模型修正的基础上进行响应面的二次修正，提高了模型修正的精度。

[0042] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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