一种自复位摇摆墙的改进Bouc-Wen滞回模型

Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件刚度、强度退化等的多功能非线性光滑滞回模型,可广泛应用于各类结构滞回行为的描述。自复位摇摆墙(Self-centering rocking wall, SCRW)结构由于其优越的抗震和自复位性能,滞回曲线呈“旗帜型”。为了更好地表征这种“旗帜型”滞回特性,在Bouc-Wen模型的基础上,建立一种具有较高精度和较好实用性的改进Bouc-Wen滞回模型。改进的Bouc-Wen模型参数是决定结构滞回性能力学特征的关键。由于该模型参数众多且选择范围不明确,为适应该类模型参数高效识别的需求,通过在MATLAB/Simulink环境中搭建程序框图,实现了对该理论模型控制参数的定性及定量分析,并运用遗传算法对10个SCRW试验结果进行参数识别,对识别结果进行统计分析,建立各参数与滞回曲线关键点的关系式,基于统计结果给出了各参数的建议取值范围;最后,通过SCRW拟静力试验对改进的滞回模型和参数取值范围进行了验证。结果表明:这种单自由度改进的Bouc-Wen滞回模型能较好地反映SCRW在往复荷载作用下无残余变形和强度、刚度退化特点的“旗帜型”滞回特性。所提出的参数取值范围显著提升了改进Bouc-Wen模型的识别精度与效率,识别过程对类似模型的参数识别具有参考价值。

磁流变减振器滞回特性的改进Bouc-Wen模型

由于现有的磁流变减振器数学模型不能准确描述其特性,因此对大行程磁流变阻尼器进行了动态特性试验。根据测试结果分析激励位移、激励频率和电流变化时,磁流变减振器的弹性、阻尼、电流饱和等基本特征的动态非线性特性。已有的Bouc-Wen模型在低速下滞回环描述不准确,在高速下缺少滞回特性,并且无法表述单出杆减振器中蓄能器造成阻尼力偏置的现象,因此根据试验结果提出一种改进的Bouc-Wen模型,通过试验数据对改进的Bouc-Wen模型进行参数辨识,并重点分析速度-力特性曲线在低速与高速情况下所形成滞环的斜率及宽度,试验数据验证了改进Bouc-Wen模型的正确性。

Bouc-Wen滞回模型的直接表示形式及其工程应用

Bouc-Wen模型广泛用于描述工程结构中的非线性滞回特性,然而该模型中的滞回恢复力与相对位移变形量的关系以微分形式给出,不能直接迭代滞回模型到系统运动控制方程,从而增加了解析法分析系统动力响应的难度。文中提出采用直接表示形式代替Bouc-Wen的微分模型,在弱非线性情况下,假定滞回恢复力可以表示为相对变形位移的指数形式,并进一步用泰勒展开的方法表示为简单的多项式形式。通过实例分析,验证多项式直接表示模型的可行性,其中二阶近似形式比一阶近似形式更为接近微分模型。将该直接表示模型应用于单自由度振动系统中,发现系统的动力响应和采用微分模型的响应基本吻合,其中具有软特性的系统响应尤为接近。

一种考虑水力滞回效应的非饱和土弹塑性扩展剑桥本构模型显式算法有限元实现

非饱和土应力-应变关系是土力学研究的重要领域。众多学者在非饱和土本构模型及其数值实现方面取得了大量研究成果,但在显示积分算法方面研究较少。在ABAQUS有限元平台基础上,应用带误差控制的显示积分算法,将一种扩展剑桥非饱和土本构模型编制成ABAQUS umat用户材料本构模型子程序,程序应用自动子增量步算法进行误差控制,采用改进欧拉法进行常微分方程显示求解。应用ABAQUS usdfld子程序将ABAQUS计算过程中饱和度及其增量保存为状态变量并导入umat进行耦合计算,使程序完全具备了进行非饱和土本构计算的能力。通过与ABAQUS自带饱和土本构模型的对比数值试验以及多种不同应力路径下的数值试验,验证了本构程序算法的正确性与合理性,相较于传统方法具有形式简洁、计算精度高、稳定性高等优点。最后运用扩展剑桥模型进行考虑水力滞回效应的土干湿循环数值试验,并分析了模型参数b对土干湿循环条件下不可逆累积变形的影响。结果表明,模型参数b对非饱和土干湿循环条件下的力学行为影响很大,b值越大不可逆累积变形越明显,b值越小则不可逆累积变形越小。所采用的误差控制自动子增量步显示积分算法在模拟非饱和土扩展剑桥模型时取得了良好效果,为后续研究打下坚实基础。

Bouc-Wen滞回系统动力学特性的仿真研究

Bouc-Wen滞回模型包含了非线性阻尼和非线性刚度,对各种光滑的滞回曲线都能较好的近似描述,在工程中得到了广泛应用。在不同参数下,Bouc-Wen滞回模型使系统具有软或硬式响应特性,导致系统有非线性振动特性。本文利用数值仿真技术,研究了不同参数下单自由度Bouc-Wen滞回系统稳态振动最大振幅与频率之间的关系,并分析了Bouc-Wen滞回参数对滞回振动系统的分叉与混沌的影响,发现一些新的现象。

具有复位功能的阻尼耗能支撑滞回模型与抗震性能研究

在传统磁流体阻尼器基础上提出了一种具有复位功能的阻尼耗能支撑,对传统Bouc-Wen模型进行了改进,建立了适用于阻尼耗能支撑的恢复力计算模型,并在Simulink环境下对改进的双Bouc-Wen模型进行仿真分析,将仿真结果与支撑有限元模拟分析结果进行了对比;基于OpenSees平台,对改进的双Bouc-Wen模型进行二次开发,并对采用具有复位功能的阻尼耗能支撑和普通防屈曲支撑的9层Benchmark钢框架结构模型进行了抗震性能对比分析。结果表明,双Bouc-Wen模型仿真得到的滞回曲线与有限元模拟得出的滞回曲线吻合较好,可以很好地描述阻尼支撑旗形滞回特性,具有复位功能的阻尼支撑可有效减小钢结构的最大层间位移及震后残余变形,阻尼耗能支撑结构具备良好的可恢复性。

考虑应变硬化的软钢阻尼器滞回模型及应用

设计了一种钢板开设条形孔的软钢阻尼器用于既有混凝土框架的减震加固,该阻尼器主要利用竖向板肢的平面内弯曲塑性变形提供耗能。首先通过低周反复加载试验研究了该软钢阻尼器的滞回性能,揭示了该软钢阻尼器具有滞回稳定、循环加载下应变硬化明显等特点。为建立考虑应变硬化效应的软钢阻尼器滞回模型,提出了采用Bouc-Wen材料与硬化材料并联的力学模型用于模拟软钢阻尼器的滞回性能,并在Open SEES程序实现其数值建模,编制了MATLAB计算程序用于确定滞回模型参数,数值模拟滞回曲线与试验结果匹配较好,该滞回模型能用于减震框架模型的非线性动力反应分析。给出了采用上述程序预测振动台试验软钢阻尼器滞回响应的应用算例。

基于形状描述符的滞回曲线相似性指标的形成

为了形成全面的相似度指标以评价滞回曲线的拟合程度,引入了已广泛用于图像特征提取的形状描述符,并提出了基于这些描述符形成计算数值模拟曲线相对于实验曲线的相似度指标的具体流程.根据该流程,形成了一个基于形状上下文的相似度指标.先计算两曲线滞回圈之间的相似度,再对这些相似度进行加权组合,形成整个滞回环的相似度.为了验证该指标,采用Bouc-Wen模型进行数值模拟研究.改变Bouc-Wen模型的5个参数,并形成51条数值模拟曲线,计算这些曲线相对于中值曲线的相似度与力峰值点、耗能、刚度误差.结果表明,相似度与误差之间的斯皮尔曼相关系数绝对值均大于0.78,有强烈的相关性,从而验证了该指标的可行性和指标形成流程的有效性.

IHB法在多自由度Bouc-Wen滞回非线性系统响应特性研究中的应用

工程中常用Bouc-Wen模型来描述具有滞回特性的振动系统,此类系统是一种多值性的非解析系统,其动力学理论分析比较困难。由于Bouc-Wen滞回模型的微分形式,一般采用数值方法进行积分求解,但对于多自由度系统来说求解速度非常慢,且难以求得不稳定解。故提出将滞回力引入为一个增加的自由度,重新建立振动系统的微分方程,将增量谐波平衡(IHB)法推广至求解该类含Bouc-Wen模型的多自由度滞回非线性系统,并引入弧长法解决由迟滞非线性引起的跳跃和多映射现象。利用该法分析了一些滞回系统的响应特性,通过与数值方法进行精度和效率对比,体现了该方法的优越性。

滞回结构随机地震反应概率密度演化分析

在工程实际中,要合理地评估复杂结构在地震作用下的整体性能,需要考虑结构参数的随机性。概率密度演化理论可以直接获取随机结构动力反应的概率密度函数及其演化过程。本文以广义F-偏差最小化作为代表点选取准则,采用扩展的Bouc-Wen滞回模型,对具有随机参数的滞回非线性多自由度结构进行了地震动反应概率密度演化分析。结果表明,随机结构的动力反应具有显著且复杂的演化特征,这些特征可以通过概率密度演化理论进行精细化分析。

独立失效模式多自由度随机滞回系统可靠性分析

基于Bouc-Wen滞回模型,研究了由滞回环本身的随机性导致的多自由度非线性随机系统可靠性分析问题。基于结构失效的首次穿越模型,应用四阶矩技术和Edgeworth级数逼近技术,对独立失效模式下多自由度随机滞回系统的可靠性问题进行分析。数值算例表明,由独立随机参数表征的随机结构,系统随机响应之间不再独立,存在协方差;系统响应之间相关系数不唯一,具有随时间连续变化的动态、强相关特性。分析计算结果与Monte-Carlo模拟结果吻合较好,表明算法能够满足工程计算精度要求。

周期和随机联合激励作用下滞回系统非平稳随机响应的一种近似方法

提出了一种用于求解非平稳随机和确定性谐波联合作用下,单自由度滞回系统非平稳响应的统计线性化方法。首先,在系统响应表示为确定性和零均值非平稳随机分量之和的基础上,将原滞回运动方程等效地化为两组耦合的、分别以确定性和随机动力响应为未知量的非线性微分方程。随后,利用统计线性化方法处理非平稳激励下的随机运动微分方程,导出关于随机响应分量二阶矩的Lyapunov微分方程。联立Lyapunov微分方程与确定性运动微分方程,并利用标准数值算法求解响应。最后,数值算例验证该方法的适用性和精度。

磁流变脂动态非线性滞回特性/应变增强效应的参数建模

为了充分发挥基于磁流变脂材料的功能器件的半主动控制,需要寻找一个高精度的模型来实时、准确地预测其动态流变特性,以便采取适当的控制策略来提高结构的响应。建立合适的参数模型预测磁流变磁控智能软材料的动态流变行为,是在工程上实现其半主动控制的基础,研制出新型磁流变材料——磁流变脂,并对其动态特性展开测试。基于对测试结果的讨论,采用遗传优化算法,利用Bouc-Wen参数模型来描述这种非线性迟滞现象(应变增强效应),并进行参数建模及识别,利用建立的模型进行不同温度下滞回曲线的预测。结果表明:随着应变的增大,磁流变脂的滞回曲线逐渐向非线性过渡,直到应变为10%和100%时,具有明显的非线性黏弹性特性;随着应变幅值的增大,材料的滞回曲线的非线性表现出应变增强效应;模型具有较高的建模精度,能够很好地描述磁流变脂在各种应变幅值下的独特而复杂的行为,为基于这种材料的结构装置在振动控制中的应用提供理论参考。

滞回特性复合板的时滞反馈控制

对粘贴有橡胶层的柔性板的时滞反馈控制进行了研究,滞回模型采用Bouc-Wen模型,控制律的设计采用瞬时最优控制方法,传感器和作动器采用压电片。提出了一个处理滞回结构主动控制中的时滞问题的处理方法,该方法直接通过时滞系统的微分方程进行控制设计,并且无需做任何假设和近似处理,因此能够处理任意大小的时滞量的问题。最后通过数值仿真验证了所给方法的有效性。

正则化Bouc-Wen模型的参数研究及其在金属阻尼器中的应用

针对经典Bouc-Wen模型中存在冗余参数的情况,介绍了一种无冗余参数的正则化Bouc-Wen模型。基于理论推导及编制的Matlab程序,对正则化Bouc-Wen模型各参数与其所描述的金属阻尼器滞回力学参数之间的关系进行了研究。采用局部敏感性分析方法基于两种不同的敏感性评价指标对正则化Bouc-Wen模型各参数的敏感性进行了分析。提出了基于改进模拟退火算法的参数拟合方法并进行试验验证。研究结果表明,金属阻尼器的初始弹性刚度kd及屈服力Fdy均由kx、kw、ρ三个参数共同决定,屈服后刚度k'd由参数kx决定,屈服位移udy由参数ρ决定,转向刚度ks与初始弹性刚度kd之间的相对关系由参数σ决定,弹塑性过渡段的圆滑度由参数n决定。正则化Bouc-Wen模型中的kw、ρ两个参数具有较高的敏感性,σ、kx、n三个参数具有较低的敏感性。改进的模拟退火算法能够有效实现对正则化Bouc-Wen模型的参数拟合,金属阻尼器试验滞回曲线与拟合曲线能够较好吻合。

金属橡胶桥梁支座滞回性能试验研究

金属橡胶支座发生水平剪切变形时,可通过金属丝之间的勾连嵌合、滑移、干摩擦等方式进行耗能。为了研究金属橡胶桥梁支座在不同性能状态下的水平滞回性能,对金属橡胶桥梁支座开展了拟静力压剪试验。设计并制作了2个密度不同的大尺寸金属橡胶桥梁支座,研究了剪切应变、压应力、加载频率、反复加载次数对滞回性能的影响,探讨了金属橡胶桥梁支座的剪切极限状态。结果表明:随着剪切应变的增大,支座的水平等效刚度变小,等效阻尼比增大,耗能能力增强;压应力对支座的滞回性能影响较为显著,随着压应力的增大,支座水平等效刚度和等效阻尼比显著增大,耗能能力明显增强;加载频率对滞回性能影响相对较小,随着加载频率的增大,支座的滞回性能略有提高;金属橡胶桥梁支座的多次反复剪切滞回曲线较稳定,反复加载多次后的等效水平刚度和等效阻尼比较接近;金属橡胶桥梁支座的极限变形能力介于75%~100%剪应变之间,与支座的密度有关,高密度的支座具有较大的极限剪切变形能力;结合金属橡胶支座剪切滞回曲线的形状特征拟定了Bouc-Wen模型中的相关参数,验证了Bouc-Wen模型可以拟合金属橡胶支座的滞回曲线,确定该模型可以作为金属橡胶支座的恢复力模型。

基于Bouc-Wen模型的阻尼器附加有效阻尼比解析解及应用

附加有效阻尼比是评价减震结构性能的重要参数,现有的建筑消能减震技术规程规定应采用双线性模型模拟位移相关型阻尼器恢复力性能,但该模型仅能在拟合位移下准确量化阻尼器耗能能力和附加有效阻尼比。Bouc-Wen模型能够在各级位移下准确量化阻尼器耗能,但目前缺乏基于该模型的附加有效阻尼比计算公式。对Bouc-Wen模型进行显式化解析,推导出基于该模型的阻尼器附加有效阻尼比计算公式。结合试验数据,对采用不同模型表征阻尼器耗能能力的精度进行了数值分析和对比,证明了所提方法的精确性。对基于Bouc-Wen模型的附加有效阻尼比进行参数分析,给出了其变化规律和各性能参数影响。基于有限元分析,对采用不同模型计算结构动力响应和附加有效阻尼比的差异进行了对比,进一步验证了该方法的有效性和应用价值。

铁粉含量对磁流变弹性体滞回特性的影响及参数模型研究

制备了铁粉含量分别为30%、45%、60%、75%的磁流变弹性体(MREs)样品,通过试验分析了铁粉含量对MREs静态和动态性能的影响。结果表明,随着铁粉含量增加,材料拉伸强度和断裂伸长率呈负相关,过高含量会导致机械性能下降。在阻尼滞回性能方面,随着铁粉含量增加,材料的最大阻尼力、等效刚度、储能模量和耗散能显著提高,呈现明显的非线性趋势;加载频率对材料性能影响呈现复杂的非线性和耦合效应。文中采用Bouc-Wen模型并结合遗传算法,对材料非线性滞回特性进行了参数识别,取得了良好的拟合效果。综合分析发现,60%铁粉含量试样在不同工况下展现出优异的阻尼耗能性能。研究结果揭示了铁粉含量与MREs性能的相关性,为MREs的开发和优化提供了理论依据。

色噪声与确定性谐波联合激励下Bouc-Wen动力系统响应的统计线性化方法

提出了一种用于求解色噪声和确定性谐波联合作用下单自由度Bouc-Wen系统响应的统计线性化方法。基于系统响应可分解为确定性谐波和零均值随机分量之和的假定,将原滞回运动方程等效地化为两组耦合的且分别以确定性和随机动力响应为未知量的非线性微分方程。利用谐波平衡法求解确定性运动方程,利用统计线性化方法求解色噪声激励下的随机运动方程。由此,可导出关于确定性谐波响应分量Fourier级数和随机响应分量二阶矩的非线性代数方程组。利用牛顿迭代法对上述耦合的代数方程组进行求解。数值算例验证了此方法的适用性和精度。

一种磁流变弹性体模型参数识别新方法及其应用研究

为了定量描述不同应变幅值、频率和磁场下磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)的力学特性,提出了一种新的参数识别方法。采用Bouc-Wen模型表征MRE的非线性滞回特性,通过试验数据验证了模型有效性,基于对模型参数与应变幅值、频率和磁场的耦合关系分析,提出了多工况参数识别方法。将仿真值与试验值之间的误差作为目标函数,利用GA-PSO混合算法对Bouc-Wen模型参数进行识别,选用多种工况的试验数据验证识别结果。结果表明,多工况参数识别方法得到的模型参数表达式在较宽的应变幅值、频率和磁场范围内是准确的,能够反映MRE的力学特性。识别和非识别工况下MRE滞回曲线的仿真值与试验值吻合率高于93%,证明了多工况参数识别方法的有效性,该方法也可用于其他模型的参数识别。