基于水平集函数的三维结构内部缺陷反演分析
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第
39
卷第
5
期
能 源 与 环 保
Vol. 39 No. 5
2017
年
5
月
China Energy and Environmental Protection Ma
y 2017
收稿日
期
： 2017 － 02 － 18；
责任编辑
：
陈鑫源
DOI： 10． 19389 /j． cnki． 1003 － 0506． 2017． 05． 002
基金项目
：
国家自然科学基金
（ 51579084，11372098） ；
江苏省水利科技项目
（ 2015030）
作者简介
：
王珍兰
（ 1959—） ，
女
，
江苏盱眙人
，
高级工程师
，1980
年毕业于华东水利学院
，
现从事水工结构工程检测研究
。
通讯作者
：
杜成斌
（ 1965—） ，
男
，
江苏盐城人
，
教授
，
现从事水工结构的力学分析工作
。
引用格式
：
王珍兰
，
赵文虎
，
杜成斌
，
等
．
基于水平集函数的三维结构内部缺陷反演分析
［J］．
能源与环保
，2017，39（ 5） ： 6-
10．
Wang Zhenlan，Zhao Wenhu，Du Chengbin，et al． Inverse analysis on detecting internal flaw within 3D structure based on level set［J］． China
Energy and Environmental Protection，2017，39（ 5） ： 6-10．
基于水平集函数的三维结构内部缺陷反演分析
王珍兰
1
，
赵文虎
2
，
杜成斌
2
，
储冬冬
1
（ 1．
江苏省水利科学研究院
，
江苏 扬
州
225002； 2．
河海大学 力学与材料学院
，
江苏 南京
211100）
摘要
：
为了更快捷有效地识别结构中存在的缺
陷
，
在实验室浇筑了内部含球形缺陷的水泥砂浆试件
，
通过三维数字图像相关方法测得试件在单轴压缩荷载下其侧表面的竖向和水平方向的位移值
。
基于
水平集函数描述结构内部的缺陷特征
，
结合扩展有限元法和人工蜂群智能算法
，
建立了三维结构内部
缺陷反演分析模型
，
在模型边界上施加测得的位移值作为边界条件
，
进行三维结构内部缺陷反演分
析
。
模型采用水平集函数描述结构内部的缺陷
，
迭代过程无需进行网格重划分
；
同时
，
人工蜂群智能
算法可进行全局搜索
，
迭代速度快且可避免早熟陷入局部最优
。
数值反演分析结果与实验结果的对
比表明
：
所建立的反演分析模型能够有效快速地识别三维结构内部的缺陷
。
关键词
：
水平集函数
；
扩展有限元法
；
人工蜂群智能算法
；
三维数字图像相关方法
；
缺陷识别
；
反演分析
中图分
类号
： O302
文献标志码
： A
文章编号
： 1003 － 0506（ 2017） 05 － 0006 － 05
Inverse analysis on detecting internal flaw within 3D structure based on level set
Wang Zhenlan
1
，Zhao Wenhu
2
，Du Chengbin
2
，Chu Dongdong
1
（ 1． Jiangsu Province Water Conservancy Science Ｒesearch Institute，Yangzhou 225002，China；
2． College of M echanics and Materials，Hohai University，Nanjing 211100，China）
Abstract： To identify the internal defect within 3D structures fast and more efficiently，the compression tests of the designed cement
mortar specimens with a spherical flaw inside were considered to obtain the vertical and horizontal displacement fields of the lateral sur-
faces by 3D digital image correlation method． By using the level set functions to describe the internal flaw，a inverse model for internal
flaw detection within 3D structures was built in this paper based on the combination the extended finite element method（ XFEM） and the
artificial bee colony（ ABC） intelligent algorithm． Internal flaw inverse analysis was conducted by applying the displacement field ob-
tained in the experiments as boundary condition． The model can reflect the location and size of the defect by the level set function with-
out remeshing and search globally with the ABC intelligent algrorithm． Hence，the inverse analysis is more efficient and can avoid the lo-
cal optimum． The comparison between the numerical result and test result indicates that this model can effectively identify the internal
defect within 3D structures．
Keywords： level set function； extended finite element method； artificial bee colony intelligent algorithm； 3D digital image correlation
method； flaw detection； inverse analysis
0
引言
自
1824
年波特兰水泥诞生以来
，
混凝土
被广泛
用于建筑
、
交通
、
水利等多个工程领域
。
然而混凝土
在配料
、
搅拌
、
养护等过程中
，
不可避免地会出现一
些内部缺陷
，
再加上结构老化或自然灾害等原因
，
在
结构内部常存在裂缝
、
孔洞等
［1］
，
这些缺陷往往会
影响建筑物的可靠性和耐久性
。
现有
的检测 方
法
［1］
，
如钻心
法
、
拔出法等会造成混凝土结构的局
部破损
；
而超声脉冲法
、
冲击回波法
、
红外成像法
、
探
地雷达法
、
声发射法等无损检测方法虽然不会对结
构产生破坏
，
但其检测结果往往受到检测环境
、
结构
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中国煤炭期刊网
www.chinacaj.net
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