-
- ۵-مقایسه نتایج و آزمایش (انتخاب و شناسایی پارامترهای مدل و بروز رسانی)
گام پنجم فرایند شناسایی سازهای، شامل انتخاب و کالیبراسیون (بروز رسانی) مدلهای سازهای است. مدلهای سازهای بر خلاف مدلهای عددی که برای تفسیر مستقیم داده ها استفاده میشوند، جهت شناختن فیزیک سازههای ساخته شده فرموله شده اند. در صورت تفسیر مستقیم داده ها، انجام این مرحله اختیاری قلمداد می شود. در صورتی که تغییری در پاسخ سازه مورد مطالعه توسط مدلهای عددی شناسایی شود، مراحل بعدی شامل شناخت عامل این تغییر و بررسی تأثیر این تغییر در عملکرد سازه است که توسط مدلهای سازهای انجام میگیرد. فرایند انتخاب مدل موضوع مهمی است که کمتر به آن پرداخته شده است، در حالیکه تأثیر زیادی روی موفقیت کلی فرایند دارد. توسعه مدلهای اجزاء محدود با بهره گرفتن از فرضیات و ایدهآلسازیهای مهندسی (با توجه به عدم قطعیتهای سازههای عمرانی)، نامناسب خواهد بود. در عمل چندین استراتژی مختلف مدلسازی استفاده و با مقایسه نتایج، بهترین مدل انتخاب شده و جهت بهروز رسانی اطمینان حاصل می شود. فرایند بهروز رسانی شامل بهینه سازی مجموعهای از پارامترهای مودال، جهت کمینه نمودن اختلاف میان نتایج مدل و نتایج آزمایش است. روشهای کالیبره کردن را میتوان بر اساس نحوه انتخاب پارامترها جهت شناسایی، فرمولاسیون تابع هدف و روش مورد استفاده جهت بهینه یابی تقسیم بندی کرد. از جمله روشهای بهروز رسانی میتوان به این موارد اشاره کرد:
( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
-
- بهروز رسانی مدل بر اساس روش اکتشافی (Manual, Heuristic-Based Model Calibration)
یکی از پایهای ترین روشهای بهروز رسانی مدل، مطالعه حساسیت پارامترها است تا تأثیر تغییرات پارامترهای انتخابی روی خصوصیات دینامیکی شبیه سازی شده یک سازه مورد بررسی قرار گیرد و همچنین بحرانی ترین پارامترها برای بهروز رسانی مدل در مقیاس کلی مشخص شوند. بهروز رسانی مبتنی بر آنالیز حساسیت پارامترها را میتوان توسط روندی اتوماتیک و یا دستی (با انجام آنالیز حساسیت پارامترها و بررسی تأثیر آنها روی پاسخ سازه هم از لحاظ ریاضیاتی و هم ترمهای فیزیکی) انجام داد. بر اساس تجربه در این رویکرد، حساس ترین پارامترها می تواند خصوصیات مواد، شرایط مرزی و پیوستگی باشد (اکتان و همکاران ۱۹۹۸). در پلها خصوصیات بحرانی شامل مدول الاستیک بتن، خصوصیات رابط صلب مورد استفاده برای اتصال المانهای محدود تیر و پوسته عرشهها، شرایط مرزی و کینماتیک سیستم متحرک است]۲[.
برای بهروز رسانی اولیه در مقیاس کلی، اختلاف میان خصوصیات دینامیکی کلی اندازه گیری شده و پاسخهای مدل با تغییر پارامترهای حساس شناسایی شده، کمینه میشوند (اف. ان. کتباس و همکاران ۲۰۰۷). به مدلهای بهروز رسانی شده از طریق این روش، مدلهای “بهروزرسانی شده در مقیاس کلی” گفته می شود. کالیبراسیون مدلهای عددی در مقیاس محلی با انجام تستهای نیرویی کنترل شده توسط نیروهای معلوم و مقایسه نتایج تجربی و پاسخهای تحلیلی مدلهای اجزاء محدود امکان پذیر است ]۲[.
-
- بهروز رسانی ماتریس بهینه (Optimal Matrix Update Methods)
یکی دیگر از روشهای بهروز رسانی، بهروز رسانی مبتنی بر اصلاح ماتریسهای سازهای همانند ماتریسهای جرم، سختی و میرایی با بهره گرفتن از داده های اندازه گیری شده استاتیکی و دینامیکی است. در این روشها جهت بهروز رسانی ماتریسها، بر اساس معادلات حاکم بر حرکت و داده های اندازه گیری شده، روند بهینه سازی مقیدی تشکیل می شود. مقایسه ماتریسهای بهروزرسانی شده با ماتریسهای اصلی نشان دهنده ارتباط و همبستگی مدل و داده های اندازه گیریشده است. به روشهایی که از حل مستقیم برای محاسبه ماتریسهای بهروز رسانی شده استفاده می کنند روشهای بهروز رسانی ماتریس بهینه اطلاق میگردد. این مسائل معمولا بر اساس ضرایب لاگرانژ و یا تابع جریمه فرموله میشوند. از جمله روشهای دیگر میتوان به این موارد اشاره کرد: ]۲[
۱-فرمولاسیون مسئله بروزرسانی بهینه بر اساس کمینه نمودن نرم Frobenius ماتریس آشفتگی پارامترهای کلی سازه با بهره گرفتن از قیدهای خطای نیروی مودال صفر و خصوصیت تقارن ماتریسها: مانند تحقیقات انجام شده توسط برانچ و بار ایتژاک ]۴[، برمن و ناجی ]۵[، کبه ]۶[ و… . اسمیت و بتی ]۷[ به توسعه روابط کبه (۱۹۸۵) جهت شامل شدن قید ممانعت پراکندگی پرداخته و مسئله را برای کمینه نمودن نرم ماتریس آشفتگی و نرم خطای نیروی مودال با درنظرگیری قیدهای تقارن و پراکندگی بازنویسی کردند. افرادی مانند کامر ]۸[ نیز قید تقارن را در کمینه نمودن خطای نیروی مودال اعمال نموده اند. در مقابل چن و گاربا روشی را برای کمینه نمودن نرم آشفتگی خصوصیات مدل با اعمال قید خطای صفر نیروی مودال ارائه داده است. آنها همچنین جهت اعمال مجموعه شناختهای شده از مسیرهای بار روی آشفتگی مجاز، قید اتصالات را اجرا و بدین ترتیب نتایج بهروز رسانی شده علاوه بر تراز ماتریس، در تراز پارامترهای اعضا بدست آمده است ]۹[ ]۱۰[ .
۲-بهروز رسانی ماتریس بهینه بر اساس کمینه نمودن مرتبه (RANK) ماتریس آشفتگی: برای مثال دابلینگ]۱۱[ روشی را برای محاسبه کمینه مرتبه بردار پارامتر بهروزرسانی شده در تراز عضو علاوه بر ماتریسهای سختی عضو و سختی کلی ارائه داده است. محدودیت این روش همانند سایر روشهای کمینه مرتبه این است که مرتبه آشفتگی برابر با تعداد مودهایی است که در محاسبه خطای نیروی مودال استفاده می شود.
از تکنیکهای بهروز رسانی بهینه جهت تشخیص آسیب نیز استفاده می شود. برای این منظور لیندر، توییتی و اوسترمن]۱۲[ با فرمولاسیون سیستمی overdetermined بر اساس مجموعه ای از پارامترهای آسیب که بیان کننده کاهش در سختی extensional برای هر عضو هستند، به این هدف پرداختند. پی. ال. لیو ]۱۳[ تکنیک بهروز رسانی بهینهای برای محاسبه پارامترهای سختی و جرم اعضای سازههای خرپایی توسط فرکانسهای مودال و شکلهای مودی اندازه گیری شده ارائه و این روش را برای مکان یابی عضو آسیب دیده استفاده کردند.
-
- بروز رسانی مبتنی بر حساسیت (Sensitivity-Based Update Methods)
این روش بهروز رسانی بر اساس حل سری مرتبه اول تیلور است که خطای تابع ماتریس آشفتگی را کمینه می کند. این روش شامل تعیین بردار پارامتر مدل اصلاح شده ( شامل پارامترهای مصالح و/یا هندسی) و بردار پارامتر آشفتگی است که با بهره گرفتن از روش نیوتن- رافسون تعیین می شود. نقطه تمایز روشهای مبتنی بر حساسیت، روش مورد استفاده برای تخمین ماتریس حساسیت است که می تواند شامل کمیتهای تحلیلی و تجربی باشد. برای حساسیت تجربی، روابط تعامد جهت محاسبه مشتقات پارامترهای مودال قابل استفاده است. روشهای حساسیت تحلیلی معمولا نیازمند ارزیابی مشتقات ماتریسهای جرم و سختی هستند که نسبت به ماتریسهای حساسیت تجربی حساسیت کمتری نسبت به نوفه و آشفتگی پارامترها دارند ]۲[.
ریکلس ]۱۴[ روشی را برای بهروز رسانی مبتنی بر حساسیت ارائه داد، به گونه ای که نوسانات سختی و جرم سیستم، موقعیت مرکز جرم، تغییر فرکانسهای طبیعی و شکلهای مودی، و فاکتورهای اعتماد آماری برای پارامترهای سازهای و تجهیزات آزمایشگاهی را به حساب آورده است. این روش از ماتریس حساسیت ترکیبی تحلیلی/تجربی استفاده کرده است، به گونه ای که حساسیت پارامترهای مودال با بهره گرفتن از داده های تجربی محاسبه و حساسیت ماتریس با بهره گرفتن از داده های تحلیلی محاسبه شده است.
صنایعی و اونپید ]۱۵[ روشی را برای بروز رسانی پارامترهای سختی مدل اجزاء محدود با بهره گرفتن از نتایج تست نیرو- جابجایی استاتیکی ارائه دادند. برای به حداقل رساندن تفاوت میان نیروهای اعمالی و نیروهای ایجاد شده در اثر اعمال جابجاییهای محاسبه شده به ماتریس سختی مدل، از پارامترهای بهروز رسانی شده که در تراز عضو هستند استفاده شده است. در ادامه نیز صنایعی و همکاران ]۱۶[. حساسیت روش ارائه شده به نوفه را مورد بررسی قرار داده و صنایعی و سالتنیک به توسعه الگوریتم و آنالیز خطا تحت کرنش استاتیکی علاوه بر جابجایی پرداختند. ]۱۷[.]۱۸[. روشهای مبتنی بر حساسیت در ادامه بگونهای بسط یافتند که دربرگیرنده اطلاعات مودال و امکان استفاده از چندین پاسخ برای تخمین همزمان پارامترها را داشته باشد.(سانتینی ، صنایعی، لیو و اولسن ]۱۹[ ).
-
- بروز رسانی مبتنی بر تعیین سازه ویژه (Eigenstructure Assignment Method)
روش بهروز رسانی مبتنی بر تعیین سازه ویژه بر اساس طراحی یک کنترلر مجازی است بگونهای که خروجیهای آن جهت کمینه نمودن خطای نیروی مودال انتخاب میشوند ]۲۰][۲۱ .[دستاوردهای کنترلر به عنوان پارامتر آشفتگیهای ماتریس به مدل سازهای تفسیر میشوند. علاوه بر بهروز رسانی، از این تکنیک جهت شناسایی آسیب استفاده می شود. برای این منظور ” بهترین بردار ویژه قابل دستیافتن” محصول کنترلر مجازی با بردارهای ویژه اندازه گیری، مقایسه می شود ]۲۱[. تکنیک تعیین سازه ویژه توسط محققین متعددی جهت تشخیص آسیب نیز مورد استفاده قرار گرفته است (کوب و لیبست ]۲۳][۲۴ [، لیندر و گاف ]۲۵[، زیمرمن و کائوک ]۲۶[). در ادامه لیم تکنیک سازه ویژه مقید را به صورت تجربی روی خرپای مسطح بیست دهانه اعمال کرد. این روش علاوه بر یافتن آشفتگیهای ماتریس سختی، آسیب را در تراز المان مسقیما شناسایی کرد. محاسبه آشفتگیهای در تراز المانها با قطری کردن خروجیهای کنترل انجام گرفته و مقادیر اعضای قطری بعنوان تغییرات خصوصیات ماتریس المانها تفسیر شده است. این تکنیک نتایج مطلوبی را با تجهیزات اندازه گیری محدود نیز از خود نشان داده است ]۲۰][۲۱ .[در نهایت نیز شوالز،پای و عبدالناصر ]۲۷[ روش “تعیین تابع پاسخ فرکانسی” که شبیه تعیین سازه ویژه است را ارائه دادند. نویسندگان مسئله را بصورت حل خطی برای فاکتورهای آشفتگی جرم و سختی المانها بیان کردند که بجای نیاز به گامهای اضافی استخراج شکلهای مودی، مسقیما از تابع پاسخهای فرکانسی استفاده می کند.
-
- بروز رسانی ترکیبی ماتریسی (Hybrid Matrix Update Methods)
کیم و بارتکویچ ]۲۸[ تکنیک بهروز رسانی دو مرحله ای را برای تشخیص آسیب سازههای بزرگ با بهره گرفتن از تجهیزات اندازه گیری محدود ارائه دادند. در مرحله اول از روش بروز رسانی ماتریس بهینه برای تعیین ناحیهای از سازه که دچار آسیب شده، استفاده شده است. گام دوم روش شامل روش مبتنی بر حساسیت است که المان سازهای را که دچار آسیب شده است را مشخص می کند. سی. لی و اسمیت همچنین تکنیک بروز رسانی ترکیبی را ارائه دادهاند که به منظور محفاظت اتصالات مدل اجزاء محدود با راندومان محاسباتی بیشتری نسبت به الگوریتم تکرارشونده محافظت پراکندگی، آشفتگی ماتریس سختی را مقید نمودند ]۲۹][۳۰[.
-
- بروز رسانی تکاملی (Evolutionary Optimization)
بهینه سازی تکاملی در واقع بخشی از مبحث احتمالات است، به این صورت که الگوریتمهای تکاملی تطابق مناسبی با بهینهیابی در مقیاس کلی دارند. این روشها از مجموعه ای از راه حلهای بالقوه تحت عنوان “جمعیت” بهره برداری و بهینه یابی در مقیاس کلی را با همکاری و رقابت میان افراد جمعیت انجام میدهد تا از کاستیهای روشهای بهینه یابی کلاسیک جلوگیری کنند. از دیگر مزایای این روش بهینه سازی، تفاوتهای توابع هدف است، بنابراین تشکیل تابع هدف انعطاف بیشتری در مقایسه با سایر روشها دارد. برای مثال می تواند بر اساس فرکانس، شکلهای مودی و یا ضریب اطمینان مودی روابط بیان شود. در میان روندهای متفاوت بروز رسانی تکاملی، الگوریتم ژنتیک بیشترین استفاده را برای شناسایی پارامترهای مودال و تشخیص آسیب را دارا است (فریسول و همکاران ۱۹۹۸، مارس و سارس ۱۹۹۶، شینتون و هو ۲۰۰۶ب) عملکرد این روشها در شناسایی سازههای عمرانی تحت شرایط بارگذاری متفاوت موفقیت آمیز بوده است (بولر و استازوسکی ۲۰۰۴، کاسکیاتی ۲۰۰۳، چانگ ۲۰۰۵، هازنر و همکاران ۱۹۹۷، جانسون و اسمیت ۲۰۰۶، ناتکه و همکاران ۱۹۹۳ و …) ]۲[
با بهره گرفتن از بهروز رسانی تکاملی، اجرای تابع چند هدفه در بروز رسانی مدل اجزاء محدود بسیار آسان می شود. انجام همزمان بهینه سازی همراه با چندین تابع هدف می تواند موجب اجتناب از ایجاد مشکلات ناشی از نیاز به انتخاب وزنهای مناسب برای ترکیب انواع مختلف داده های اندازه گیری در تابع هدف واحد شود.
برای بهبود بهرهوری محاسبات، شناسایی پارامتر یک سیستم بزرگ می تواند در یک روند طبقهای انجام گیرد، بگونهای که وقوع و محل تقریبی تغییرات پارامترها در مرحله ابتدایی توسط مدل ابتدایی شناسایی و در مرحله بعدی، محل دقیق و میزان آسیب با بهره گرفتن از مدلی که برای ناحیه آسیب دیده تصحیح مجزایی شده است انجام می شود. پررا و روییز]۳[ روند بهروز رسانی مدل اجزاء محدود چندین طبقهای را بر اساس بهینه سازی تکاملی چند هدفه انجام دادند.
-
- ۶-استفاده از مدل برای تصمیم گیری (مطالعات پارامتریک، آنالیز سناریوها، ارزیابی ریسک و …)
استفاده از مدلهای توسعه یافته و بهروز رسانی شده طی فرایند شناسایی سازهای جهت موارد تصمیم گیری، در صورتی که توجیه اقتصادی داشته باشد، امری ضروری است. اکثر روشهای گزارش شده در مقالات پژوهشی، مربوط به مراحل ۴ و ۵ شناسایی هستند. در این روشها، رسیدن به تطابقی مناسب میان خصوصیات اندازه گیری شده و شبیه سازی شده، موفقیت تلقی می شود. در صورت عدم گسترش مفهوم موفقیت روشهای شناسایی، به توانایی آنها در تحت تأثیر قرار دادن فرایند تصمیم گیری، ممکن است مفهوم شناسایی از قلمرو حوزه پژوهش به موارد کاربردی گسترش پیدا نکند]۲[.
