A novel multistage approach is developed for structural model updating based on sensitivity ranking of the selected updating parameters. Modal energy-based sensitivities are formulated, and maximum-normalized indices are designed for sensitivity ranking. Based on the ranking strategy, a multistage approach is proposed, where these parameters to be corrected with similar sensitivity levels are updated simultaneously at the same stage, and the complete procedure continues sequentially at several stages, from large to small, according to the predefined levels of the updating parameters. At every single stage, a previously developed cross model cross mode (CMCM) method is used for structural model updating. The effectiveness and robustness of the multistage approach are investigated by implementing it on an offshore structure, and the performances are compared with non-multistage approach using numerical and experimental vibration information. These results demonstrate that the multistage approach is more effective for structural model updating of offshore platform structures even with limited information and measured noise. These findings serve as a preliminary strategy for structural model updating of an offshore platform in service.
Precise and reasonable modelling is necessary and indispensable to the analysis of dynamic characteristics of mechanical structures. Also. the effective prediction of the change of modal properties due to the variation of design parameters is required especially for the application of finite element method to the structural dynamics problems. To meet those necessity and requirement, three model updating algorithms are proposed for finite element methods. Those algorithms are based on sensitivity analysis of the modal data obtained from experimental modal analysis(EMA) and analytical modal analysis(AMA). The adapted sensitivity analysis methods of the algorithms are 1)eigensensitivity(EGNS) method. 2)frequency response function sensitivity(FRFS) method. 3)sensitivity based element-by-element method (SBEEM), Singular value decomposition(SVD) is used for performing eigenanalysis and parameter estimation in the updating process. Those algorithms are applied to finite element of a plate and the updating capability of each algorithm is compared in terms of accuracy. reliability and stability of the updating process. It is shown that the model updating method using frequency response function is superior to the other methods in view of various updating capabilities.
Civil structures may experience progressive deterioration and damage under environmental and operational conditions over their service life. Finite element (FE) model updating method is one of the most important approaches for damage identification in structures due to its capabilities in structural health monitoring. Although various damage detection approaches have been investigated on structures, there are limited studies on large-sized space structures. Thus, this paper aims to investigate the applicability and efficiency of sensitivity-based FE model updating framework for damage identification in large space structures from a distinct point of view. This framework facilitates modeling and model updating in large and geometric complicated space structures. Considering sensitivity-based FE model updating and vibration measurements, the discrepancy between acceleration response data in real damaged structure and hypothetical damaged structure have been minimized through adjusting the updating parameters. The feasibility and efficiency of the above-mentioned approach for damage identification has finally been demonstrated with two numerical examples: a flat double layer grid and a double layer diamatic dome. According to the results, this method can detect, localize, and quantify damages in large-scaled space structures very accurately which is robust to noisy data. Also, requiring a remarkably small number of iterations to converge, typically less than four, demonstrates the computational efficiency of this method.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권4호
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pp.904-921
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2014
The main objective of this paper is to propose a new Finite Element (FE) model updating technique for damped beam structures. The present method consists of a FE model updating, a Degree of Freedom (DOF) reduction method and a damping matrix identification method. In order to accomplish the goal of this study, first, a sensitivity-based FE model updating method using the natural frequencies and the zero frequencies is introduced. Second, an Iterated Improved Reduced System (IIRS) technique is employed to reduce the number of DOF of FE model. Third, a damping matrix is estimated using modal damping ratios identified by a curve-fitting method and modified matrices which are obtained through the model updating and the DOF reduction. The proposed FE model updating method is verified using a real cantilever beam attached damping material on one side. The updated result shows that the proposed method can lead to accurate model updating of damped structures.
Esfandiari, Akbar;Chaei, Maryam Ghareh;Rofooei, Fayaz R.
Structural Engineering and Mechanics
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제68권1호
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pp.39-51
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2018
In this study, a frequency domain model updating method is presented using power spectral density (PSD) data. It uses the sensitivity of PSD function with respect to the unknown structural parameters through a decomposed form of transfer function. The stiffness parameters are captured with high accuracy through solving the sensitivity equations utilizing the least square approach. Using numerically noise polluted data, the model updating results of a truss model prove robustness of the method against measurement and mass modelling errors. Results prove the capabilities of the method for parameter estimation using highly noise polluted data of low ranges of excitation frequency.
The updating of FE model to match it with the experimental results needs the modal information. There are two cases where this methodology is ill-equip to deal with; under-determined and ill-conditioning problem. The feedback exciter that uses the summation of the white noise and the signals from the measurement sensors multiplied with feedback gains can deal with these problems as the new modal data from the closed loop system generate more constraints the updating parameters should obey. The new modal data from the closed loop system should be different to enhance the condition of the modal sensitivity matrix. In this research, a guide for the selection of the sensor locations and the decision of the corresponding output feedback gains is proposed. This method is based on the sensitivity of the modal data with respect to the feedback gains. Through the proper selection of the exciter and sensor locations and the feedback gain, the eigenvalue sensitivity of the updating parameters which cause the ill-conditioning of the modal sensitivity matrix can be modified and consequently the error contamination in updating parameters are reduced.
Damage detection based on a reference set of measured data usually has the problem of different environmental temperature in the two sets of measurements, and the effect of temperature difference is usually ignored in the subsequent model updating. This paper attempts to identify the structural damage including the temperature difference with artificial measurement noise. Both local damages and the temperature difference are identified in a gradient-based model updating method based on dynamic response sensitivity. The sensitivities of dynamic response with respect to the system parameters and temperature difference are calculated by direct integration method. The measured dynamic responses of the structure from two different states are used directly to identify the structural local damages and the temperature difference. A single degree-of-freedom mass-spring system and a planar truss structure are studied to illustrate the effectiveness of the proposed method.
FE model-based dynamic analysis has been widely used to predict the dynamic characteristics of civil structures. In a physical point of view, an FE model is unavoidably different from the actual structure as being formulated based on extremely idealized engineering drawings and design data. The conventional model updating methods such as direct method and sensitivity-based parameter estimation are not flexible for model updating of complex and large structures. Thus, it is needed to develop a model updating method applicable to complex structures without restriction. The main objective of this paper is to present the model updating method based on the hybrid genetic algorithm (HGA) by combining the genetic algorithm as global optimization method and modified Nelder-Mead's Simplex method as local optimization method. This FE model updating method using HGA does not need the derivation of derivative function related to parameters and without application of complicated inverse analysis methods. In order to allow its application on diversified and complex structures, a commercial FEA tool is adopted to exploit previously developed element library and analysis algorithms. Moreover, an output-level objective function making use of measurement and analytical results is also presented to update simultaneously the stiffness and mass of the analysis model. The numerical examples demonstrated that the proposed method based on HGA is effective for the updating of the FE model of bridge structures.
It is necessary to develop an efficient analysis method to identify the dynamic characteristics of a large mechanical structure and update its finite element model. That is because these processes need the huge computation of a large structure and iterative estimation due to the use of the first- order sensitivity. To efficiently carry out these processes, a new method, called the generalized free-interface mode sensitivity method, has been proposed in the authors' preceeding paper. This method is based on substructuring approach such as a free-interface method and a generalized synthesis algorithm. In this paper, the proposed method is applied to the model updating of a car body structure to verify its accuracy and reliability for a large mechanical structure.
Ho, Long V.;Khatir, Samir;Roeck, Guido D.;Bui-Tien, Thanh;Wahab, Magd Abdel
Smart Structures and Systems
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제26권4호
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pp.451-468
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2020
Although model updating has been widely applied using a specific optimization algorithm with a single objective function using frequencies, mode shapes or frequency response functions, there are few studies that investigate hybrid optimization algorithms for real structures. Many of them did not take into account the sensitivity of the updating parameters to the model outputs. Therefore, in this paper, optimization algorithms and sensitivity analysis are applied for model updating of a real cable-stayed bridge, i.e., the Kien bridge in Vietnam, based on experimental data. First, a global sensitivity analysis using Morris method is employed to find out the most sensitive parameters among twenty surveyed parameters based on the outputs of a Finite Element (FE) model. Then, an objective function related to the differences between frequencies, and mode shapes by means of MAC, COMAC and eCOMAC indices, is introduced. Three metaheuristic algorithms, namely Gravitational Search Algorithm (GSA), Particle Swarm Optimization algorithm (PSO) and hybrid PSOGSA algorithm, are applied to minimize the difference between simulation and experimental results. A laboratory pipe and Kien bridge are used to validate the proposed approach. Efficiency and reliability of the proposed algorithms are investigated by comparing their convergence rate, computational time, errors in frequencies and mode shapes with experimental data. From the results, PSO and PSOGSA show good performance and are suitable for complex and time-consuming analysis such as model updating of a real cable-stayed bridge. Meanwhile, GSA shows a slow convergence for the same number of population and iterations as PSO and PSOGSA.
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