第31卷第2期 2017年4月 江苏科技大学学报(自然科学版) Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition) Vo1.31 No.2 Apr.2017 doi:10.3969/j.issn.1673—4807.2017.02.021 基于优化神经网络的桁架有限元模型修正 曾小燕,王 林 (江苏科技大学土木工程与建筑学院,镇江212003) 摘 要:阐述了基于优化BP神经网络的桁架结构有限元修正原理,提出了用遗传算法对BP神经网络进行优化和编程,并 用超高塔架有限元模型算例验证了该方法的有效性和准确性.研究结果表明:未经修正的有限元模型的误差在4%,修正后 的误差降低到0.84%以下,通过置信准则MAC值验证了GABP方法修正后MAC值提高到0.94以上,而未修正时MAC值 在0.7以上.证明了优化BP神经网络修正过的桁架结构比未经过修正的结构更符合实际工程,该方法为日后同类型超高 桁架结构的有限元模型修正提供了一定的参考. 关键词:神经网络;桁架结构;模型修正;优化设计 中图分类号:U488 文献标志码:A 文章编号:1673—4807(2017)02—0237—04 Finite element model updating of a truss based on Optimized Neural Network ZENG Xiaoyan,WANG Lin (School of Civil and Architecture Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China) Abstract:The finite element correction principle of truss stuctrure based on optimizing BP neural network is de— scribed in this paper,the genetic algorithm is put forward to optimize the BP neural network,and the BP neural network is optimized by programming.The validity and accuracy of the proposed method are verified by using a ifnite element model of a high truss.The results show that the modiifed BP neural network iS more accurate than the structure without modification,and the method can provide reference for the finite element model updating of the same kind of high truss structure in the future. Key words:neural network,truss structure,model modification,optimization design 有限元方法具有完整性、准确性和便于程序化 等优点,目前,广泛应用于结构分析领域.建立准确 的有限元模型对于结构分析至关重要,然而,建模 过程中引入的各种假设和诸多不确定因素导致结 构有限元模型必然存在误差.为了尽可能地减小误 差的有限元修正,然而实际工程结构难免出现较大 的误差 .由于神经网络具有强大的非线性映射能 力,通过训练神经网络,能够得到结构参数与结构响 应之间复杂的非线性关系,考虑采用优化神经网络 的方法对有限元模型结构参数进行修正,以此达到 差,一般采用有限元模型修正.在工程建设中,有限 元模型修正的方法有很多,如矩阵型法、元素型法、 修正有限元模型的目的.因此,对初始有限元模型进 行修正,使其理论计算值趋近于结构的实际响应值 是一个具有重要理论和实用意义的研究方向. 子矩阵型法等 .但是这些方法一般只适用于小误 收稿日期:2015—10—21 基金项目:江苏省产学研联合创新项目(BY2012182) 作者简介:曾小燕(1988一),女,硕士研究生. 通信作者:王林(1963一),男,教授,研究方向为船舶与海洋工程结构力学.E mail:wlin40@163.corn 引文格式:曾小燕,王林.基于优化神经网络的桁架有限元模型修正[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2017,31(2):237—240.doi:10 3969/j.issn.1673—4807.2017.02.021. 238 江苏科技大学学报(自然科学版) 2017年 1 有限元修正的基本原理 确定性的有限元修正可以归结为优化问 题 .网络理论,神经网络能量函数的极小点对应 于系统的稳定平衡点,只要找到网络系统的稳定平 衡点,就可确定结构优化问题的极值. 文献[4—5]对工程结构的优化设计数学模型 进行了定义,对于任何一个工程结构的优化设计数 学模型一般可写成: F( )一min,X∈R (1) 式中: 为设计变量, ( )为目标函数. 目标函数满足以下条件: ( )≤0 =1,2,…, , h ( )=0 =1,2,…, 式中:g ( ),h ( )为等式约束和不等式约束的 梯度; 为非上下限不等式约束的个数;M为非上 下限等式约束的个数. 通过外罚函数法,可以将有约束的最优化问题 转化成求解无约束的最优化问题.上述优化问题可 转化为求一个目标函数(能量函数)的极小值问 题,文献[6]给出神经网络能量函数的表达式为: E(x, )=F( )十号{∑[, ‘・ ( )] +∑[一 … … ( )]。) (3) 式中:g ( )为惩罚算子,其值为正,g ( ): max {,、 0, …、7 {fg0 ( ) (X)≤01;>0j 对公式(3)求导,得 ={ 叫耋 + 腊= {7F(X)+ [∑ ( )・r ̄(x)+∑^ ( )・V ( )】 (4) 式中:V F( ),V g ( ),V h ( )为目标函数、不 等式约束和等式约束的梯度.寻找稳定平衡点,即 寻找一点使dE/dt≤0,该稳定平衡点即函数极小 值点. 2优化神经网络的建立 BP(Back Propagation)神经网络是目前应用最 广泛的神经网络模型之一.BP神经网络能学习和 存贮大量的输入一输出模式映射关系,而无需事前 揭示描述这种映射关系的数学方程.但是,BP神经 网络也有一定的局限性.BP神经网络学习收敛速 度慢、不能保证收敛到全局的最小值,特别是对于 多峰值的函数,BP神经网络得出的可能是局部的 一个最小值,降低了全局寻优能力.为了弥补BP 神经网络的缺陷,采用遗传算法(GA)进行优化. 文献[7]在Kolmogorov多层神经网络映射存 在定理的基础上,从理论上证明一个三层神经网络 可用来描述任一弹性结构的应力、位移等变量和结 构设计变量之间的映射关系,为利用人工神经网络 来进行结构近似分析提供理论基础.1989年,文献 [8]证明了对于任何闭区间内的一个连续函数,都 可用一个隐含层的BP网络来逼近.因而一个三层 BP网络可完成任意的n维到m维的映照. 文中构造了一个输入层为2个节点,n:=2n + 1隐含层的节点数,其中,n 为输入层的节点数,即 隐层为5个节点,输出层为3个节点的三层BP神 经网络.网络结构如图1. 图1 BP神经网络模型 Fig.1 BP neural network model 为解决上述缺陷,采用遗传算法对BP神经网 络进行优化.遗传算法优化BP神经网络的步骤如 下: (1)确定编码方案,把数据表示成遗传空间的 基因结构串数据,采用实数编码方案,避免了传统 二进制编码的解码过程,在一定程度上提高了神经 网络的学习精度和速度. (2)初始群体的生成.随机产生,v个初始串 结构数据,每个串结构数据称为一个个体,Ⅳ个个 体构成了一个群体,遗传算法采用这Ⅳ个串结构 数据作为初始点开始迭代. (3)计算神经网络的误差函数,从而得出遗传 算法所需的适应度函数;文中的适应度函数取神经 网络实际输出与期望输出误差平方和的倒数. (4)选择、交叉、变异,进行遗传迭代操作,直 至达到终止条件为止; (5)输出遗传迭代所得的网络最优权值到BP 网络迭代结构,进行神经网络训练,直至得到理想 的网络结构终止. 3塔架结构模型修正 3.1 塔架结构有限元模型的建立 塔架采用现场拼接的钢管扣件式塔架,塔架高 第2期 曾小燕,等:基于优化神经网络的桁架有限元模型修正 239 75 m,由25个桁架单元组成,每个桁架单元长6 m、 宽4 m、高3 m,由两个长3 m,宽4 m,高3 m的桁 架单元对接而成.上下单元之间采用螺栓连接,桁 架采用Q235钢管,钢管外径100 mm,壁厚16 mm. 桁架单元布置一个测点.塔架测点的布置情况如 图4.试验共采用13个超低频加速度传感器获取 塔架各部位环境振动响应,由此分析结构的动态 特性.表1列出了塔架理论与实测的固有频率 塔架模型共采用154个节点,552个单元.桁架单 元模型如图2,塔架模型如图3.实际工程中,塔架 的下部与工作面上的预埋件之间采用焊接,有限元 值.随机选取50组结构频率作为输入值,其中40 组作为训练样本,l0组作为测试样本,待修正参 数经归一化处理后作为输出值,进而得到优化BP 模型的下部按照固结进行处理. 图2桁架单元模型 Fig.2 Truss element model 图3塔架模型 图4传感器的布置 Fig.3 Tower model Fig.4 Arrangement of sensors 3.2模型修正 目前较常采用的模型修正方法是矩阵型和参 数型 9j.由于矩阵型方法需要借助结构质量和刚 度矩阵,对于大型结构计算比较复杂,有时因为 计算误差使得结构达不到修正的目的 .因此, 采用参数型修正方法,主要考虑单根钢管截面面 积、质量、弹性模量等参数对结构的影响,将待修 正参数组成设计变量,即X=[ , , ],理论模 型固有频率的相对误差作为目标函数,其前4阶 固有频率作为状态变量.为了研究方便,塔架结 构与地面之间的连接作为刚性连接,且塔架模型 上所有节点位置的刚域均不予考虑.由于塔架结 构较高,如果采用相同大小的结构对实验带来很 大的不便.因此,实际用于做实验的是按照 1:20的比例缩小之后的模型.振动试验是在塔架 上从最下面的一个桁架单元开始向上每隔一个 神经网络的权值和阀值. 3.3模型修正结果 模型修正前后自振频率的对比见表1. 由表1可以看出,经Midas建立的模型与实验 值的相对误差在4%左右,经过优化BP神经网络 修正后模型的相对误差在0.84%以下,比修正前 的模型的精度有了很大的提高.设计变量修正前后 的对比见表2. 表1 自振频率修正前后对比 Table 1 Comparison of the natural frequencies of the model and the modified model 表2设计变量修正前后对比 Table 2 Design variables in the model correction before and after comparison 模态置信准则(modal assurance criterion, MAC)是利用振型的正交性来分析比较两个振型 之间的关联性,采用MAC值分别评估两个振型之 间的相关性.若MAC=0,则表示两个振型不存在 相关性,MAC值越接近于1,表示振型的相关性越 大,若MAC=1,则表示两个振型是完全相同的. 分析振型与测量振型的相关性越大,就表示两种 振型越相似.根据文献[11]给出了MAC矩阵的 计算公式:MAC( ? , )= Im I . ’ 1,2,3,…,其中, 表示第i阶的分析振型, 表 示第i阶的测量振型.分别取模型修正前和 GABP方法修正后的振型作为分析振型,分别计 算得出MAC值,表3为修正前和修正后的MAC 值对比. 240 江苏科技大学学报(自然科学版) 20l7年 由表3可知,未修正模型的MAC矩阵对角数 值均在0.7以上,而经过GABP方法修正后MAC 矩阵对角数值均在0.94以上,说明修正后的结构 振型与测量振型具有高度相关性.证明GABP方法 修正后的模型比未修正的模型具有更高的精度. 4 结论 (1)基于遗传算法优化的BP神经网络方法 修正的结果使各阶频率的精度都有所提高,误差由 修正前的4%左右降低到0.84%以下.设计变量 中,GABP方法用于超高桁架结构有限元模型修正 是可行的.它能降低模型的误差,使模型更加准确 可行. (2)基于遗传算法优化的BP神经网络方法 修正后的MAC矩阵的对角数值均在0.94以上,未 修正时MAC矩阵的对角数值在0.7以上,证明 GABP修正后的分析振型与测量振型具有高度的 相关性,从而进一步证明了GABP方法修正有限元 模型是可行的. 参考文献(References) 李剑.有限元模型参数型修正方法的研究[D].上 海:上海交通大学,2007:10—12. [2] 王林,彭鑫.鄂尔多斯伊克昭大桥主桥拱肋整体吊 装的静力及稳定性分析[J].江苏科技大学学报(自 然科学版),2014,28(2):120—124. WANG Lin,PENG Xin.Ordos Yi Ke Zhao bridge arch rib hoisting of the static and stability analysis 『J].Journal of Jiangsu University of Science and Technolgy(Natural Science Edition),2014,28(2): 120—124.(in Chinese) [3] 姜东费,庆国,吴邵庆,等.基于摄动法的不确定性 有限元模型修正方法研究[J].计算力学学报, 2014,31(4):431—437. JIANG Dongfei,QING Guo,wU Shaoqing,et a1. Based on the perturbation method of nondeterministic finite element model correction method[J].Chinese Journal of Computational Mechanics,2014,31(4): 431—437.(in Chinese) [4]郭兴文,王德信.工程结构优化设计[J J.江苏力学, 1997,24(13):22—23. GUO Xingwen,WANG Dexin.Optimization design ot engineering structure[J].Jiangsu Mechanics,1 997, 24(13):22—23.(in Chinese) [5]程耿东.工程结构优化设计基础[M].辽亍:大连删 工大学出版社,2012. 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