一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法技术

本发明专利技术公开了一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，包括以下步骤：1）明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的关键设计变量和主要优化目标，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型；2）定义被加固钢结构的疲劳损伤模型，明确疲劳损伤参数和扩展门槛值的概率分布；3）基于计算机实验设计和代理模型策略，建立描述加固后结构安全止裂概率与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；4）通过理论分析，建立描述CFRP加固总费用与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；5）完善钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型，采用多目标优化算法和多属性决策方法求解获取最优的加固方案。本发明专利技术提高了CFRP加固开裂钢桥的效率和可靠性。CFRP加固开裂钢桥的效率和可靠性。CFRP加固开裂钢桥的效率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法


[0001]本专利技术属于钢结构疲劳裂纹维修
，特别涉及一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法。

技术介绍

[0002]疲劳开裂是限制钢结构应用和发展的主要问题之一。疲劳开裂影响了钢结构的安全性，同时也加大了管理部门面临的财政压力。因此，发展一种高效可靠的疲劳裂纹维修措施，对于提高我国钢结构的服役寿命和降低相应的维护财政支出具有重要意义。
[0003]目前对钢结构疲劳裂纹的维修措施主要包括止裂孔法、钢板补强法、补焊法等。上述方法虽能一定程度上抑制疲劳裂纹的发展，然而却或多或少存在以下缺点：引入了新的残余应力、造成了结构的二次损伤、增加了结构的自重，以及耗费了较多的人力。碳纤维增强复合材料(CFRP)具有自重轻，力学性能好等突出特点，通过粘贴CFRP加固开裂部位十分快捷，且并不会对开裂钢结构造成二次损伤，因此近年来，CFRP加固法在钢结构疲劳裂纹维修中的应用越发频繁。
[0004]然而目前利用CFRP加固开裂钢结构的案例中，加固方案的相关配置参数多基于经验式的设计，从而造成了加固效果不理想且维护费用较高。此外，由于加固效果和维修费用往往是两个相悖的目标，采用传统的优化和决策方法难以获取最优的加固方案。为此，提出CFRP加固开裂钢结构的多目标优化和决策方法对于提高结构的疲劳性能和降低相关的维护费具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提出一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术拟采取一下技术方案：一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，其特征在于包括以下步骤：1)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的关键设计变量和主要优化目标，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型；2)定义被加固钢结构的疲劳概率损伤模型，结合疲劳开裂过程的不确定性，明确疲劳损伤参数和扩展门槛值的概率分布；3)基于计算机实验设计和代理模型策略，建立描述加固后结构安全止裂概率(裂纹停止扩展的概率)与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；4)通过理论分析，建立描述CFRP加固总费用与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；5)完善钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型，采用多目标优化算法和多属性决策方法求解获取最优的加固方案。
[0007]所述步骤1)中，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型，包括以下步骤：1.1)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的关键设计变量，包括胶层弹模、CFRP弹模、CFRP板尺寸，以及加固时机；1.2)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的主要优化目标，
包括加固后结构安全止裂概率和CFRP加固总费用；1.3)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的约束条件，包括各关键设计变量和主要优化目标取值限制；1.4)根据确定的设计变量、优化目标及约束条件，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型。
[0008]所述步骤2)中，钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型为：
[0009]Find X＝(E
a
,E
c
,L,a
m
)
[0010][0011]式中，X和F(X)分别为设计变量和目标函数向量；E
a
为胶层弹模；E
c
为CFRP弹模；L为正方形CFRP板尺寸；a
m
为加固时表面疲劳裂纹长度，也即加固时机；下标max和min表示各设计变量的上下限；P
sa
(X)表示加固后结构安全止裂概率的优化目标；C
M
(X)表示CFRP加固总费用的优化目标。P
sa
(X)和C
M
(X)的具体方程形式采用如权利要求1中的步骤3)和步骤4)进行确定。
[0012]所述步骤3)中，建立描述加固后结构安全止裂概率与关键设计变量间相关关系的优化目标方程，包括以下步骤：3.1)基于带裂纹多尺度有限元模型，建立不同加固工况下的加固后典型裂纹尖端应力强度因子幅值计算方法；3.2)开展计算机实验设计，根据设计变量的取值范围利用优化拉丁超立法等方法采样，建立实验设计变量样本点集；3.3)分配设计变量样本点集的2/3作为代理模型的训练集，根据加固后应力强度因子幅值的计算方法获取训练集中各设计变量工况对应的加固应力强度因子幅值样本点；3.4)利用代理模型拟合设计变量
‑
强度因子幅值样本，建立加固后典型裂纹尖端应力强度因子幅值与设计变量间的函数关系；3.5)分配设计变量样本点集的剩余1/3作为代理模型的验证集，通过代理模型预测验证集中各设计变量工况对应的应力强度因子幅值，并将其与根据加固后应力强度因子幅值计算方法得到的真实值进行对比，计算可决系数以验证代理模型的准确性；3.6)基于定义的钢结构损伤模型和代理模型计算加固后应力强度因子幅值小于应力强度因子幅值门槛值的概率，以及当前加固工况下结构未发生失效的概率，最终将上述两类概率相乘建立加固后结构安全止裂概率的目标函数方程。
[0013]所述步骤3.1)中，建立不同加固工况下的加固后典型裂纹尖端应力强度因子幅值计算方法的步骤包括：3.1.1)基于线弹性断裂力学建立带裂纹扩展有限元模型，包括全局有限元模型、一级子模型和二级带裂纹子模型；3.1.2)采用壳单元对全局模型进行网格划分，采用实体单元对两级子模型进行网格划分，定义初始裂纹信息采用奇异单元对疲劳裂纹尖端进行网格划分，针对裂纹局部采用较细的网格进行划分和并用于不同网格尺寸间的过渡；3.1.3)基于最大切应力准则确定裂纹前沿的偏转角，基于准静态扩展确定裂纹前沿各点的增量，从而模拟得到钢结构疲劳开裂全过程；3.1.4)根据设计变量样本点集内指定的加固工况，建立CFRP和胶层模块并通过绑定约束模拟各接触界面行为，计算加固工况对应的加固后典型裂纹尖端应力强度因子幅值。
[0014]所述步骤4)中，建立描述CFRP加固总费用与关键设计变量间相关关系的优化目标
方程，包括以下步骤：4.1)明确CFRP加固总费用所包含的细部费用，包括加固直接费用和失效风险费用；4.2)通过调研材料价格、劳力价格和机械价格，建立加固直接费用与设计变量间的函数关系；4.3)基于定义的钢结构损伤模型计算当前加固工况下结构失效的概率，并将其与评估的结构失效损失相乘，建立失效风险费用与设计变量间的函数关系；4.4)将加固直接费用和失效风险费用相加，并考虑货币贬值率，建立CFRP加固总费用的目标函数方程。
[0015]所述步骤5)中，采用多目标优化算法和多属性决策方法求解获取最优的加固方案的步骤包括：5.1)代入建立的加固后结构安全止裂概率的目标函数方程和CFRP加固总费用的目标函数方程，以完善先前建立的钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型；5.2)基于非支配排序和拥挤度计算方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，其特征在于包括以下步骤：1)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的关键设计变量和主要优化目标，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型；2)定义被加固钢结构的疲劳概率损伤模型，结合疲劳开裂过程的不确定性，明确疲劳损伤参数和扩展门槛值的概率分布；3)基于计算机实验设计和代理模型策略，建立描述加固后结构安全止裂概率与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；4)通过理论分析，建立描述CFRP加固总费用与关键设计变量间相关关系的优化目标方程；5)完善钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型，采用多目标优化算法和多属性决策方法求解获取最优的加固方案。2.如权利要求1所述的钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，其特征在于：所述步骤1)中，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型，包括以下步骤：1.1)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的关键设计变量，包括胶层弹模、CFRP弹模、CFRP板尺寸，以及加固时机；1.2)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的主要优化目标，包括加固后结构安全止裂概率和CFRP加固总费用；1.3)明确钢结构疲劳裂纹CFRP加固过程的约束条件，包括各关键设计变量和主要优化目标取值限制；1.4)根据确定的设计变量、优化目标及约束条件，搭建钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型。3.如权利要求2所述的钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，其特征在于：所述步骤2)中，钢结构疲劳裂纹CFRP加固多目标优化问题的数学模型为：Find X＝(E
a
,E
c
,L,a
m
)式中，X和F(X)分别为设计变量和目标函数向量；E
a
为胶层弹模；E
c
为CFRP弹模；L为正方形CFRP板尺寸；a
m
为加固时表面疲劳裂纹长度，也即加固时机；下标max和min表示各设计变量的上下限；P
sa
(X)表示加固后结构安全止裂概率的优化目标；C
M
(X)表示CFRP加固总费用的优化目标。4.如权利要求1所述的钢结构疲劳裂纹CFRP加固的多目标优化和多属性决策方法，其特征在于：所述步骤3)中，建立描述加固后结构安全止裂概率与关键设计变量间相关关系的优化目标方程，包括以下步骤：
3.1)基于带裂纹多尺度有限元模型，建立不同加固工况下的加固后典型裂纹尖端应力强度因子幅值计算方法；3.2)开展计算机实验设计，根据设计变量的取值范围利用随机采样方法采样，建立设计变量样本点集；3.3)分配设计变量样本点集的2/3作为代理模型的训练集，根据加固后应力强度因子幅值的计算方法获取训练集中各设计变量工况对应的加固应力强度因子幅值样本点；3.4)利用代理模型拟合设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋斐，丁幼亮，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：