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基于CNN-BiLSTM-Attention混合神经网络的结构非线性模型修正

工程力学 2025年

作者：丁雅杰王佐才辛宇刘文林程明合肥大学城市建设与交通学院合肥工业大学土木与水利工程学院安徽新华学院智能制造学院

针对结构动力响应数据的非线性和时序性特点，本文基于注意力机制(Attention Mechanism， AM)提出了一种卷积神经网络(Convolutional Neural Network， CNN)和双向长短期记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory， BiLSTM)相结合的结构非线性模型修正方法。首先，在CNN层中利用一维卷积核进行数据非线性局部特征提取，并通过最大池化操作压缩重要特征信息；接着，BiLSTM层将CNN层传递的降维特征信息分别利用前向和后向链式连接的LSTM单元进行时序特征提取，并引入AM机制，对BiLSTM隐藏层所提取到的时间信息通过加权的方式进行重要程度区分，挖掘响应数据深层次的时序特征；最后，将Attention层的输出作为全连接层的输入，预测计算得到修正后结构非线性模型参数。通过对地震荷载作用下的桥塔模型进行数值模拟分析，并对实际缩尺桥塔结构进行振动台试验以验证所提方法的准确性。数值模拟和实验结果表明，本文所提混合神经网络修正方法适用于高维空间参数的非线性模型，相比于传统神经网络方法具有更强的鲁棒性和网络泛化能力。

关键词：非线性结构模型修正参数识别神经网络鲁棒性

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基于同伦随机有限元方法的梁结构边界约束静力模型修正

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机械强度 2025年第2期47卷 138-146页

作者：胡建伟祁灿朱礼平吴志峰黄斌陈学龙中冶武勘工程技术有限公司武汉430080 中国葛洲坝集团电力有限责任公司宜昌443002 中冶南方武汉建筑设计有限公司武汉430000 武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070 华中科技大学土木与水利工程学院武汉430074

考虑到结构边界条件的不确定性,基于同伦随机有限元方法,提出了一种梁结构边界约束静力模型修正方法。基于不确定的静力测量数据,实现了梁身单元与边界单元的整体修正。静力凝聚方法能够保证计算自由度与测量自由度相匹配。正则化方法... 详细信息

考虑到结构边界条件的不确定性,基于同伦随机有限元方法,提出了一种梁结构边界约束静力模型修正方法。基于不确定的静力测量数据,实现了梁身单元与边界单元的整体修正。静力凝聚方法能够保证计算自由度与测量自由度相匹配。正则化方法可以减少随机模型修正方程病态解的问题。概率残差最小化法实现同伦系数的最优选择,保证了边界约束的精确识别和整体修正的精度。最后,通过变截面混凝土梁数值算例和铝合金梁的静力加载试验,验证了该方法的有效性。

关键词：同伦随机有限元边界约束模型修正静力测量误差静力凝聚

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基于马尔科夫链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正

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机械强度 2025年第2期47卷 85-93页

作者：叶玲江宏康邹雨清陈华鹏王力骋华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌330013 江西交投咨询集团有限公司南昌330013

针对传统马尔科夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)模拟方法在高维问题或后验概率密度复杂时采样效率低且难收敛的缺陷,建立了基于马尔科夫(Markov)链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正算法。在基于Metropolis-Hastings(MH)随... 详细信息

针对传统马尔科夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)模拟方法在高维问题或后验概率密度复杂时采样效率低且难收敛的缺陷,建立了基于马尔科夫(Markov)链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正算法。在基于Metropolis-Hastings(MH)随机游走算法实现MCMC模拟的传统方法基础上,引入差分进化算法,利用种群中Markov链之间不同携带信息的相互作用关系,得到优化建议以快速逼近目标函数,解决了高维参数模型修正过程中采样滞留的缺点;引进竞争算法,通过不断的竞争刺激和内置失败者向胜利者学习的机制,采用较少的Markov链获得较高的精度,提高了模型修正效率与精度;最后,通过一个桁架结构的有限元模型修正数值算例验证了所提算法,并与标准MH算法的结果对比,得出该算法可以快速修正高维参数模型,具有较高的精度,且对随机噪声有良好的鲁棒性,为考虑不确定性的大型结构有限元模型修正提供了一种稳定有效的手段。

关键词：模型修正贝叶斯估计马尔科夫链蒙特卡洛种群竞争

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考虑影响线模型修正的既有连续梁桥地震易损性评价方法

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振动工程学报 2025年第4期38卷 838-848页

作者：周宇甘露一狄生奎陈东方登甲安徽建筑大学土木工程学院安徽合肥230601 兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 安徽建筑大学建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室安徽合肥230601 合肥市城市生命线工程安全运行监测中心安徽合肥230601

影响线是桥梁结构弹性力学状态的重要表征参数,能够有效反映结构的抗力与抗变形性能,并有望用于地震期间弹塑性响应的评估与预测。以某实测三跨钢板组合连续梁桥影响线为模型修正目标,基于BP神经网络开展桥梁模型修正研究;进一步构建不... 详细信息

影响线是桥梁结构弹性力学状态的重要表征参数,能够有效反映结构的抗力与抗变形性能,并有望用于地震期间弹塑性响应的评估与预测。以某实测三跨钢板组合连续梁桥影响线为模型修正目标,基于BP神经网络开展桥梁模型修正研究;进一步构建不同峰值地面加速度下的墩柱弯矩⁃曲率指标,以Beta分布的期望为震害指数,拟合桥梁模型在多种性能水平下结构的超越概率表达式,分析对比连续梁桥结构有限元修正前、后的地震易损性。结果表明,有限元模型修正理论可使实测值与计算值间的相对误差从38%降低至10%以内,有限元修正模型比初始模型的震害指数更低;通过引入Beta分布对不同性能水平进行加权融合,可将结构的易损性矩阵转化为震害指数,从而综合考虑不同破坏等级的危害后果,更为全面地展现桥梁结构的抗震性能。

关键词：桥梁工程地震易损性增量动力分析应变影响线模型修正

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考虑既有损伤的古建筑木结构有限元模型修正及损伤预测方法

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工程力学 2025年

作者：邓扬申励辛吴婧姝李爱群李雨航北京建筑大学土木与交通工程学院教育部古建筑安全与节能国际合作联合实验室中冶检测认证有限公司北京电子科技职业学院机电工程学院

古建筑木结构因构造复杂且在服役过程中产生了多种损伤，使得有限元模型难以准确地表征其实际力学状态，同时也无法精确预测古建筑的损伤发展。为此，本文提出了一种古建筑木结构有限元模型修正方法：采用三维激光扫描获取古木建筑的既... 详细信息

古建筑木结构因构造复杂且在服役过程中产生了多种损伤，使得有限元模型难以准确地表征其实际力学状态，同时也无法精确预测古建筑的损伤发展。为此，本文提出了一种古建筑木结构有限元模型修正方法：采用三维激光扫描获取古木建筑的既有损伤作为修正依据，结合响应面技术及多目标遗传算法通过参数优化对古建筑模型进行修正，并基于修正后模型提出了古建筑结构损伤的预测方法。以福建省泉州市开元寺拜亭为研究对象，建立有限元模型并进行了修正，同时对其结构的损伤发展进行了预测、评估与预警。结果表明，拜亭模型与真实结构之间的脱榫长度与柱倾斜均值的误差相较于修正前分别下降了79%和69.5%；经预测，当拜亭柱的沉降增长值超过2.5 mm时，结构的脱榫及柱倾斜损伤将超过规范限值。

关键词：古建筑木结构有限元模型模型修正响应面优化结构损伤预测

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基于梁拱组合桥静动载试验的多重响应模型修正

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铁道建筑 2025年第1期65卷 72-78页

作者：万铭成高明显赵崇基中国铁道科学研究院研究生部北京100081 铁科院(深圳)研究设计院有限公司广东深圳518050

为了使建立的梁拱组合桥初始有限元模型更好地满足实际工程需要,对模型进行修正。选取桥梁结构主要材料参数作为模型待修正变量,以静载和动载试验的误差构建目标函数作为试验设计的响应。通过Plackett-Burman试验设计筛选出影响最显著参... 详细信息

为了使建立的梁拱组合桥初始有限元模型更好地满足实际工程需要,对模型进行修正。选取桥梁结构主要材料参数作为模型待修正变量,以静载和动载试验的误差构建目标函数作为试验设计的响应。通过Plackett-Burman试验设计筛选出影响最显著参数,通过Box-Behnken试验设计建立二阶响应面模型,确定响应的取值范围后再使用满意度函数法优化多重模型响应。以满意度函数取得最大值时各材料参数值作为修正后的参数取值,代入初始模型中,完成对模型的修正。将修正后的有限元模型进行瞬态分析得到的响应曲线与现场动载试验的跑车动挠度曲线进行对比,结果表明修正后的模型计算曲线与现场实测曲线吻合程度较好,比初始有限元模型误差有所减少,验证了模型修正方法的有效性,可利用该修正后模型作为基准有限元模型进行后续的桥梁健康监测、损伤识别等研究。

关键词：梁拱组合桥模型修正模型试验响应面法多重响应

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基于挂篮试验的宽幅斜拉桥模型修正

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辽宁工业大学学报(自然科学版) 2025年第1期45卷 48-53页

作者：孙刚中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司黑龙江哈尔滨150008

在宽幅斜拉桥的挂篮施工过程中,斜拉桥的节段过程变形量受到混凝土湿重、挂篮刚度、一二次过程索力等多方面因素的影响。以佛山市番海大桥工程为实例,基于有限元软件Midas/Civil建立了挂篮节段施工模型及斜拉桥整体施工阶段模型。通过... 详细信息

在宽幅斜拉桥的挂篮施工过程中,斜拉桥的节段过程变形量受到混凝土湿重、挂篮刚度、一二次过程索力等多方面因素的影响。以佛山市番海大桥工程为实例,基于有限元软件Midas/Civil建立了挂篮节段施工模型及斜拉桥整体施工阶段模型。通过静载试验和施工过程数据反馈,对模型进行了参数分析与修正。研究结果表明,挂篮刚度与一二次索力作为过程参数,对节段浇筑完成至成桥阶段的施工变形值影响较小,主要作用于当前施工节段的过程变形。优化挂篮刚度和索力值可以缩小变形范围,有效控制当前节段的过程变形。通过建立宽幅斜拉桥施工控制模型,提出了节段施工模拟参数的优化建议,为实际工程中宽幅斜拉桥的变形控制提供了理论依据和技术支持。

关键词：宽幅斜拉桥一二次索力挂篮变形值过程变形量参数分析模型修正

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模型修正技术在螺栓连接结构中的应用探讨

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2014年第12期47卷 1095-1100页

作者：张琪昌耿岩王辰靳刚天津大学机械工程学院天津300072 天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室天津300222

螺栓连接直接影响整体结构的可靠性和动态性能,需要精细的处理分析,而传统的有限元建模方法有的不能满足精度需求,有的过程复杂且计算量大.针对这一问题,利用改进的正交模型正交模态(ICMCM)法,基于模态试验结果,对一类螺栓连接结构的有... 详细信息

螺栓连接直接影响整体结构的可靠性和动态性能,需要精细的处理分析,而传统的有限元建模方法有的不能满足精度需求,有的过程复杂且计算量大.针对这一问题,利用改进的正交模型正交模态(ICMCM)法,基于模态试验结果,对一类螺栓连接结构的有限元模型修正技术进行了研究.模型修正前,采用最优拟合法进行振型扩展得到包含所有节点和变形的完备振型.研究结果表明,与螺栓连接刚性或多点约束建模方式相比,经过本文方法修正的刚性连接模型能满足修正效果评价准则,而且计算结果的精度和可靠度显著提高.同时,研究也表明,对于螺栓连接结构,无需建立复杂精细的有限元模型,只要对刚性模型进行上述修正即可获得满足实际工程需要的计算模型.

关键词：螺栓连接改进的正交模型正交模态法模型修正模态试验多点约束

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基于频响函数截断奇异值响应面的有限元模型修正

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振动工程学报 2017年第3期30卷 341-348页

作者：张勇侯之超赵永玲清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

考虑由于模型参数误差造成的有限元模型偏差的问题,提出一种基于频响函数截断奇异值响应面的模型修正方法。利用傅里叶反变换将结构频响函数变换为时域内的脉冲响应函数,通过延迟坐标法重构脉冲响应函数的相空间矩阵,进而对相空间矩阵... 详细信息

考虑由于模型参数误差造成的有限元模型偏差的问题,提出一种基于频响函数截断奇异值响应面的模型修正方法。利用傅里叶反变换将结构频响函数变换为时域内的脉冲响应函数,通过延迟坐标法重构脉冲响应函数的相空间矩阵,进而对相空间矩阵进行截断奇异值分解,提取有限个较大的奇异值作为频响函数的特征量。以待修正模型参数为样本集输入,截断的奇异值为样本集输出,建立支持向量机响应面模型并进行训练,以逼近模型待修正参数与频响函数的特征量之间的非线性映射关系。以目标频响函数的特征量与支持向量机响应面模型输出的特征量之间的差值最小化为目标,利用遗传算法通过优化求解参数修正量。仿真计算表明:支持向量机的保留奇异值响应面能准确预报训练集以外样本的保留奇异值,具有较强的泛化能力;结合遗传优化算法能获得准确的参数修正量,算法对噪声有较强的鲁棒性。

关键词：模型修正频响函数支持向量机响应面截断奇异值分解

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基于优化Kriging模型的平台结构动力学模型修正

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振动与冲击 2019年第18期38卷 18-23页

作者：冷建成田洪旭徐爽周国强赵海峰东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 中国石油集团工程技术研究院天津300451

以某海洋平台结构试验模型为研究对象,提出了Krigging模型与多目标遗传算法优化相结合的动力学模型修正方法。将模态频率设为修正目标,利用待修正参数与平台模态频率间的Kriging模型代替平台有限元模型进行修正。针对近似误差可能对修... 详细信息

以某海洋平台结构试验模型为研究对象,提出了Krigging模型与多目标遗传算法优化相结合的动力学模型修正方法。将模态频率设为修正目标,利用待修正参数与平台模态频率间的Kriging模型代替平台有限元模型进行修正。针对近似误差可能对修正结果产生干扰的问题,提出了一种基于多目标遗传算法的局部加点优化方法,用于优化代理模型的拟合精度。通过力锤激励下的室内模型试验对上述方法进行了验证,结果表明,Kriging模型能够有效拟合平台结构参数与固有频率间的复杂映射关系,所提出的优化方法能够显著改善Kriging模型精度,可应用于实际工程。

关键词：海洋平台结构模型修正 Kriging模型多目标遗传算法

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