一种土木工程中的模拟数据修正方法及系统
技术领域
本发明涉及测量数据修正
技术领域
，尤其涉及一种土木工程中的模拟数据修正方法及系统。背景技术
土木工程中的结构数据往往难以确定，对数值计算的结果会造成很大的影响,而实验室内对结构数据的测定均存在尺度效应问题，且考虑到经济成本，现场取样的数量往往不多，无法得到整个工程区的真实结构数据，因此有必要采用空间差值的方法来修正实验室模拟数据。
空间插值方法的估计准确性主要取决于是否充分且合理地利用了所有样本信息。通常的空间插值方法仅关注样本的空间分布和数值大小而忽略了其背后的隐藏信息，导致插值精度不足。例如，常规方法在处理变形和温度的样本数据之间没有区别。此外，常见的空间插值方法通常假定一些数学模型来补充空间相关信息，但他们的确定是经验的和模糊的，插值精度难以保证。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种土木工程中的模拟数据修正方法及系统，能够将几个测点的任意物理量类型的数据合理扩展到了整个结构，实现了一种高精度空间插值效果，为科研人员和工程专家提供直接的结构工作状态判别依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
根据本发明的第一方面，提供了一种土木工程中的模拟数据修正方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取测量对象的几何参数及材料参数，建立测量对象的有限元模型，并划分网格；
S2：在所述有限元模型中选取若干测点，分别构造各测点的离散权重函数；
S3：在所述有限元模型中施加真实边界条件，计算得到各测点的理想数据；
S4：利用各测点的离散权重函数及实测数据修正各测点的理想数据，即可获得测量对象的有限元模型中各节点的修正数据；
上述步骤S2和S3顺序不固定。
进一步的，所述S2中构造各测点的离散权重函数具体包括：
S21：在所述有限元模型中的测点i处施加单位一的任意物理量类型的载荷，并对其他测点施加相同物理量类型的约束；i为正整数，用于表示测点序号；
S32：通过数值模拟方式得到有限元模型中全部网格节点的所述物理量类型的模拟值，即为测点i的离散权重函数；
S33：重复上述步骤S31～S32，直至获得全部测点的离散权重函数。
进一步的，所述离散权重函数具体为：
Ni＝{u1,u2,...,un}；
其中，Ni为测点i的离散权重函数；u1,u2,...,un为有限元模型中第1个节点、第2个节点至第n个节点处的理想数据；n为正整数，取有限元模型中的网格节点总数。
进一步的，所述步骤S4具体包括：
将各测点的实测数据ui r代入公式即可计算得到所测物理量类型的修正数据；
其中，m为测点总数；i为测点序号；Ni为测点i的离散权重函数；表示哈达玛乘积；ue为所测物理量类型的修正数据矩阵；us为所测物理量类型的理想数据矩阵；ui r为测点i的实测数据；ui s为测点i的理想数据。
进一步的，若某测点对应的理想数据ui s等于0时，则令ui r/ui s等于1。
进一步的，所述若干测点均位于所述有限元模型的网格节点上。
进一步的，同一样本点的离散权重函数随修正数据物理量类型的改变而改变。
进一步的，修正数据的物理量类型包括温度、速度、浓度、应力、应变、位移中的任意一种。
根据本发明的第二方面，提供了一种土木工程中的模拟数据修正系统，包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行上述的土木工程中的模拟数据修正方法。
根据被发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的土木工程中的模拟数据修正方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种土木工程测量数据修正方法及系统，具有如下优势：
(1)本发明提出的数据修正方法，有效结合了实验数据和模拟数据，从而得到工程结构全面且真实的工作状态，实施过程简单，对工程中实测点的数量和分布没有限制，并且没有解方程和优化问题，方便推广应用；
(2)本发明通过工程中的部分实测数据修正仿真得到的模拟结果，解决了因结构未知缺陷导致模拟与实验结果不相符的问题，使得模拟结果能更真实地反映结构的实际受力状态。
(3)本发明方法将几个测点的任意物理量类型的数据合理扩展到了整个结构，实现了一种高精度空间插值效果，为科研人员和工程专家提供直接的结构工作状态判别依据。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1所述的三跨梁桥的有限元模型；
图2是本发明实施例1所述的三跨梁桥挠度的真实和理想模拟；
图3是本发明实施例1所述的三跨梁桥挠度的离散权重函数示意图；
图4是本发明实施例1所述的三跨梁桥挠度的模拟调整结果对比；
图5是本发明实施例2所述的建筑外墙体的有限元模型；
图6是本发明实施例2所述的建筑外墙体温度的真实和理想模拟；
图7是本发明实施例2所述的建筑外墙体温度的离散权重函数示意图；
图8是本发明实施例2所述的建筑外墙体温度的模拟调整结果对比；
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
多个，包括两个或者两个以上。
和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
一种土木工程中的模拟数据修正方法，具体技术方案如下：
a、建立测量对象的有限元模型，将其划分为适当多的单元，并施加特定的边界条件，用数值模拟方法来获得各测点的离散权重函数Ni。
b、进行常规模拟，施加真实的边界条件，输入材料属性，常规模拟结果为us，并提取测点处的常规模拟值ui s。
c、将各测点的实测数据ui r代入公式即可计算得到所测物理量场的精确估计ue，其中m为测点总数，表示哈达玛乘积。
优选地，步骤a中所有测点应正好处于模型的网格节点上。
优选地，步骤a中所述特定边界条件是指在计算第i个测点处的权重函数Ni时，在测点i处加单位一的物理量(与数据类型一致或相近)，而在其余测点处设为零。
优选地，步骤a中所述数值模拟只考虑材料的线弹性，模拟所得各节点物理量的值即组成测点i的离散权重函数Ni＝{u1,u2,...,uj,...,un},其中uj为第j个节点处的模拟值，n为节点总数。
优选地，步骤c中ue、us与Ni皆为关于节点坐标的向量，其第j个元素分别为第j个节点处的精确修正值、理想模拟值和权重函数值。
优选地，步骤c中若测点对应的模拟值ui s为0时，则设系数项ui r/ui s为1。
优选地，用ANSYS-APDL语言编制自动循环加约束的程序，并批量输出离散权重函数向量。
优选地，本发明特别适用于具有传递特性的物理量，如变形、速度、温度、浓度等，其当物系偏离平衡状态时，就会发生转移现象使物系趋向平衡状态。对于不具有传递性的物理量，可用相近的物理量来计算权重函数，例如用位移构造的权重函数来调整应变数据。
实施例1：三跨梁的模拟结果调整
三跨梁为土木工程中的常见结构，通常表现为两端固接，中间设有两滑动支座。测得某处三跨梁结构的几何参数如下，梁的长度为3m，每跨长1m，梁的截面为100×100mm2，同时测得三跨梁材料的弹性模量E0＝200GPa。据此建立如图1所示的有限元模型。
在三跨梁上施加有1kN/m的均布荷载，若此时发现真实梁存在一损伤部位，其弹性模量为正常的1/20，而理想模拟则不考虑薄弱部位，两者的模拟结果如图2所示。
提取三个跨中的真实模拟位移值作为实测样本ui r，并提取相应的理想模拟值ui s。实际上四个支座的位移也是已知信息，可作为测点补充，提高模拟调整的精度。
接着计算七个测点的离散权重函数，以构造测点4处的权重函数为例。根据权重函数的构造性质，在测点4处加y向单位一位移，在其他测点处加y向的固定约束，另外要限制板其它方向的刚体位移。然后进行静力分析，得到的y向位移场即为离散权重函数N4＝{u1,u2,...,uk,...,un}，如图3所示。类似地，可以得到其它的离散权重函数Ni(i＝1,2,…,7)，其中权重函数N7示意图也在图3中给出。
在得到各个测点的离散权重函数后，然后将理想模拟结果us、测点的实测值ui r(取自真实模拟)和模拟值ui s代入公式可得到梁挠度模拟的调整结果，其中四个支点处ui r/ui s设为1。图4对比了真实模拟、理想模拟和模拟调整的结果，可以看出理想模拟经调整后更接近真实模拟，说明了本方法的有效性。
实施例2：墙体温度的模拟结果调整
测得某建筑一段墙体的墙面尺寸为300×200mm2，墙外温度为50℃，墙内对流换热系数为0.5。正常保温板的导热系数为0.4W/m·K(材料2)，混凝土的导热系数为1.28W/m·K(材料2)。建立如图5所示的有限元模型并划分为60×40个Shell 132单元。
若此时真实外墙的保温板渗水，导致其导热系数变为4W/m·K，而理想模拟则不考虑保温板损坏，两者的模拟结果分别如图6中的a和b所示。
提取三个的真实模拟温度值作为实测样本ui r，并提取相应的理想模拟值ui s。实际上外墙边界的温度也是已知信息，将其整体视为一个测点。
接着计算四个测点的离散权重函数，以构造测点1处的权重函数为例。根据权重函数的构造性质，在测点1处加1℃温度，在其他测点处加0℃。然后进行稳态热力学分析，得到的温度场即为离散权重函数N1＝{u1,u2,...,uk,...,un}，如图7a所示。类似地，可以得到其它的离散权重函数Ni(i＝1,2,…,4)，其中权重函数N2示意图如图7b所示给出。
在得到各个测点的离散权重函数后，然后将理想模拟结果us、测点的实测值ui r(取自真实模拟)和模拟值ui s代入公式可得到梁挠度模拟的调整结果，如图8a所示。图8b对比了墙中轴线处的真实模拟、理想模拟和模拟调整的结果，可以看出理想模拟经调整后更接近真实模拟。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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