基于模型更新技术的长期服役钢框架结构数字孪生

《Journal of Constructional Steel Research》：Digital twinning for steel frame structures with long-term service using model updating technologies

　　

摘要

基于物理信息的数字孪生为创建具有长期服役结构的保真有限元 (FE) 模型提供了一种有前景的方法。然而，在结构数字孪生中对几何保真度的强调有限，即使有也主要侧重于扫描至有限元工作流，而不是利用设计有限元模型。此外，通过参数更新来考虑长期服役钢框架结构的性能退化仍然具有挑战性。为了解决这些问题，本研究提出了一种由扫描点云 (PCs) 和实验频响函数 (FRFs) 驱动的结构数字孪生框架。在该框架中，扫描点云用于引导设计有限元模型中梁单元的节点坐标修正，而实验频响函数用于指导几何更新有限元模型中节点连接刚度的修正。该框架在一座曾经过高强度振动台试验和自然锈蚀的三层钢框架上进行了验证。结果表明，仅几何更新导致自振频率偏移超过 5%，而提出的参数更新将频率偏差降低了 16.65%。这些发现证实，所提出的结构数字孪生框架对于创建具有长期服役的钢框架结构的准确有限元模型既是可行的也是必要的。

引言

钢框架结构因其结构简单和性能良好，广泛应用于住宅综合体、办公塔楼和工业设施等多层建筑 [1]。然而，在长期服役期间，这些结构可能会发生性能退化，使其服役状态越来越难以可靠评估。这种不确定性带来了潜在的安全风险，使准确的结构评估成为有效安全管理的迫切需求。数字孪生技术通过创建与真实结构保持一致映射的高保真虚拟模型，为解决这一问题提供了有前景的方法 [2], [3]。

数字孪生，也称为数字建模，是数字孪生应用的基础，涉及使用物理信息创建虚拟模型 [4], [5]。在各种类型的虚拟模型中，有限元 (FE) 模型仍然是结构分析和安全评估的可靠仿真工具 [6], [7]，导致通过基于物理信息的数字孪生创建该模型的研究广泛展开。例如，Shi 等人 [8] 通过测量缆索力和结构频率驱动的参数更新，为缆索桁架结构创建了高保真有限元模型。同样，Fang 等人 [9] 使用实验测量校准了低屈服点钢的本构模型，从而促进了此类钢构件的高保真建模。然而，现有的结构数字孪生研究对确保生成的有限元模型的几何保真度重视有限。即使考虑了几何形状，大多数努力也集中在扫描至有限元工作流 [10], [11] 上，这限制了具有理想几何形状的设计有限元模型的使用。因此，本研究打算使用测量的结构形状来指导具有理想几何形状、材料属性和连接行为有限元模型的几何更新；此基准模型此后称为理想有限元模型。据我们所知，扫描点云 (PC) 驱动的几何更新方法已在另一种虚拟模型——建筑信息模型 (BIM) 中得到广泛研究，并在节点 [12]、构件 [13] 和整体结构 [14] 层面展示了应用。因此，在结构数字孪生框架中纳入扫描点云驱动的几何更新以创建有限元模型是有前景的。

此外，由测量数据驱动的参数更新仍面临一个显著限制。在许多实际应用中，可用的测点 (MPs) 数量和可识别模态受到限制，这可能导致信息不足，无法可靠指导更新过程。频响函数 (FRF) 表征了结构在频域中的输入输出关系 [15]。对于给定的激励响应对，FRF 提供了跨频段密集采样的响应信息，同时保留了测点特定的响应模式，丰富了可用于有限元模型更新的匹配信息 [16], [17]。因此，基于 FRF 驱动的参数更新为解决稀疏测量布置和有限模态参数造成的限制提供了有前景的解决方案。此外，将参数更新作为迭代优化问题的标准表述涉及一个耗时且计算密集的过程，因为它需要反复评估有限元模型输出与测量数据之间的一致性 [18]。因此，能够替代有限元模型实时预测指定输出的代理模型 [19], [20]，已成为加速参数更新过程的有效策略。

对于长期服役的钢框架结构，一种考虑其结构状态评估中性能退化的常见方法是在梁柱连接中纳入刚度折减 [21], [22]。同时，钢框架结构中梁柱节点的连接刚度可能偏离理想的刚性假设，即使是焊接接头 [23]。因此，实施由实验 FRF 和代理模型驱动的参数更新方法，并评估其适用于节点连接刚度修正的适用性至关重要。

为了弥合上述研究差距，本研究追求以下目标：

• •
  提出一种整合扫描点云驱动几何更新的钢框架结构数字孪生框架。
• •
  实施由实验 FRF 和代理模型驱动的参数更新，以修正梁柱节点的连接刚度。
• •
  验证所提出的数字孪生框架在创建具有长期服役的钢框架结构的有限元模型方面的有效性和必要性。

本文其余部分组织如下。第 2 节说明了提出的基于物理信息的结构数字孪生框架，并描述了其整体实施程序。第 3 节介绍了三层钢框架的实验案例研究，并详细介绍了支持数字孪生过程收集的测量数据。第 4 节应用所提出的框架更新钢框架的理想有限元模型，并展示了我们方法的有效性和必要性。第 5 节讨论了当前研究的局限性并概述了未来的研究方向。最后，第 6 节通过总结主要贡献和发现得出结论。

章节摘要

结构数字孪生方法论

为实现研究目标，本文提出了一种用于创建长期服役钢框架结构高保真虚拟模型的数字孪生框架。在该框架中，从真实结构收集的几何配置（具体为扫描点云）和结构响应（具体为实验 FRF）被视为驱动高保真虚拟模型创建的物理信息。更具体地说，扫描点云告知了

试验结构与理想有限元模型

为了展示所提出的数字孪生框架在评估长期服役结构性能方面的有效性和必要性，本研究将所提出的方法论应用于一个经过高强度地震试验并表现出明显构件锈蚀的钢框架。

如图 5 所示，所选钢框架作为燃煤发电厂缩尺模型的支持结构。它由焊接轧制钢截面制成

节点坐标修正结果

利用几何更新算法和来自理想有限元模型的网格信息，从扫描点云中提取了各个构件相对于其理想几何形状的轴线偏差。图 11 中展示的结果表明，由组件装配引起的全局偏差通常远大于与构件实际形状相关的局部偏差。同时，在这个为结构试验建造的钢框架中，一些与装配相关的偏差

讨论

作为结构状态评估的可靠工具 [43]，有限元分析在通过数字孪生范式增强时变得更加强大，这为真实结构的高保真仿真提供了一条有意义的途径。关于在结构数字孪生中确保生成的有限元模型几何保真度的现有研究差距，本研究提出了一种包含扫描点云驱动几何更新的数字孪生框架。在该框架中，

结论

本文提出了一种针对长期服役钢框架结构的基于物理信息的结构数字孪生框架。在提出的框架中，扫描点云用于引导梁单元的节点坐标修正，从而表示当前构件轴线几何形状，而实验 FRF 用于指导连接刚度修正，以将服役引起的性能退化纳入有限元模型。通过

CRediT 作者贡献声明

刘继明: 写作 – 初稿，方法论，调查。段立平: 验证，监督，方法论。林思伟: 验证，软件。苗吉: 写作 – 审查与编辑。赵金城: 监督，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

致谢

该工作获得了上海市科学技术委员会 (No. 21DZ1204600) 的财政支持。

刘继明 | 段立平 | 林思伟 | 苗吉 | 赵金城

海洋工程国家重点实验室，中国上海