高速列车蛇行减振实时混合试验的两级自适应时滞补偿方法

时滞补偿是高速列车蛇行减振实时混合试验的关键问题之一。高速列车的多个自振频率超过10 Hz,加载命令不可避免地存在高频分量,进而要求更小的时滞误差以保证试验稳定性。针对此问题,基于两级自适应时滞补偿方法的基本思想,采用系统逆模型完成名义时滞补偿,采用有限脉冲响应离散模型建立自适应逆控制器补偿剩余时滞与不确定性时滞,利用渐消记忆卡尔曼滤波器在线估计控制器参数。为充分探讨所提方法性能,采用线性和非线性加载系统模型,开展了线性、非线性试件模型的高速列车虚拟实时混合试验,比较了不同时滞补偿方法性能。研究表明,所提方法具有优良的补偿性能,表现出较强的鲁棒性,对于高频信号也能实现良好的补偿效果。

地震下RC空心墩弯-剪数值模型及混合试验验证

地震作用下钢筋混凝土空心截面中高桥墩多发生弯剪破坏,而其弯剪耦合反应的数值模拟方法尚不完善。针对当前弯剪串联模型中的剪切模型未考虑空心截面特征的问题,提出基于关键参数的剪切模型修正方法,并通过混合试验进行验证。分别从桥墩的剪跨比、混凝土开裂后剪切刚度、等效截面面积、桥墩有效高度与墩身混凝土斜裂缝倾角等参数入手,提出剪切模型关键参数的修正方法;基于修正的开裂剪切强度、开裂剪切位移、剪切极限承载力及其对应的剪切位移与剪切破坏位移,提出适用于空心桥墩剪切性能模拟的三折线型骨架曲线建立方法;通过组合剪切模型与基于纤维单元的弯曲模型,建立空心墩弯剪耦合反应的数值模型;与一座空心高墩桥混合试验结果对比,其桥墩子结构的物理试验结果验证了数值模拟方法。分析表明:通过本文所提数值模拟方法得到的空心桥墩弯剪滞回曲线与真实地震加载路径下的试验曲线匹配良好,能够模拟空心墩在真实地震作用下的弯剪滞回行为。

在线与离线模型更新混合试验精度比较研究

为比较在线模型更新和离线模型更新混合试验的模拟精度,考察模型更新构件数量对试验精度的影响,本文以地震作用下构件的最大水平恢复力为基本指标计算构件权重系数,来评价模型更新构件对混合试验精度的影响程度。采用OpenSees软件对带BRB支撑的框架结构进行了12种工况下的在线和离线模型更新虚拟混合试验。结果表明:随模型更新构件数量的增加,离线模型更新方法与在线模型更新方法对混合试验精度均有不同程度提升。由于离线模型更新方法在参数识别方面的优势,试验精度提升幅度相对较大,在模型更新构件超过一定数量后试验精度将高于在线模型更新方法。基于研究结果,选择权重系数较大的构件作为试验子结构并对数值子结构进行模型更新可较大幅度提高试验精度,同时对在线与离线模型更新混合试验精度的比较结果为选择模型更新方法提供参考依据。

基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法

相比于传统拟静力和拟动力试验,混合试验通常存在较为复杂的试验子结构边界条件。受到实验室加载条件的限制,子结构的边界条件往往难以完全实现,这将对混合试验的保真度产生很大影响,即混合试验中的不完整边界条件问题。为解决不完整边界条件问题,提出一种基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法。该方法为试验子结构建立两套数值模型,并通过两套数值模型修正试验子结构的不完整恢复力。两套数值模型的区别在于边界条件的设定:第一套数值模型具有完整的边界条件;第二套数值模型具有与试验子结构相同的边界条件,为不完整边界条件。该研究分析了边界自由度耦合程度、数值模型误差对该方法精度的影响,验证了该方法对存在模型误差的数值模型具有较好的鲁棒性;最后,采用所提方法对一座两层两跨抗弯框架结构进行了抗震性能数值分析。结果表明:与常规混合试验方法和弱耦合混合试验方法相比,该方法不仅具有解决不完整边界条件问题的能力,而且也表现出较高的仿真精度。

基于子结构等效刚度修正的抗震混合试验方法研究

为了研究试验子结构等效刚度对结构抗震混合试验结果的影响,以结构固有频率设计为基础,并根据振动台的尺寸和承载能力要求设计两榀三层三跨的钢框架模型做地震模拟振动台试验;根据结构的对称特性选取框架底层1/4及1/2结构为试验子结构并利用结构变形协调原理对试验子结构边界自由度进行缩减,设计了双通道作动器协同控制加载技术对试验子结构边界条件进行模拟,最后对所设计的三层钢框架模型进行混合试验,混合试验结果与振动台试验吻合较好,这表明在结构振动台抗震性能试验受限于台面尺寸和承重等因素时,基于子结构等效刚度的混合试验方法可为结构抗震性能分析提供一种有效的途径。

结构非线性阶段反弯点法抗震混合试验研究

针对抗震混合试验边界条件模拟问题,提出非线性条件下框架结构边界条件模拟方法。建立钢框架数值模型进行结构非线性动力时程分析,研究梁柱线刚度比、地震动放大系数、轴压比及长细比4种影响因素下对钢框架柱反弯点位置的影响,并依据数值模拟反弯点分布规律开展反弯点法抗震混合试验,将试验结果与非线性数值模拟结果对比。结果表明,梁柱线刚度比对框架柱反弯点分布规律和底层柱的剪力分配有较大影响,其他因素影响不显著。反弯点法抗震混合试验在结构弹性与弱非线性阶段表现良好,在结构进入较强非线性阶段的位移时程曲线与非线性数值模拟结果较为接近,但在耗能能力上存在差异。

基于抗震混合试验的复合试验子结构加载方法研究

大型结构破坏区域为多个非线性构件组成的复合区域,区域内各个构件的破坏现象和内力分布都存在一定耦联性的问题,对此提出复合试验子结构概念,通过分析反弯点法的基本原理,设计两种基于框架结构反弯点的复合试验子结构边界条件模拟方法,一种考虑多试验单元的大型框架结构,忽略轴压比的影响,并针对反弯点位置改变的情况调整作动器加载模式;另一种考虑结构的重力二阶效应,完整模拟复合试验子结构的边界条件,增加剪力传感器以研究框架柱进入非线性阶段时的剪力分配原理。

力修正迭代混合试验修正策略对比研究

力修正迭代混合试验是一种新型结构抗震性能研究方法,该方法有等效线性模型与等效Maxwell模型两种力修正策略。为对比研究两种力修正策略的物理子结构反力修正效果,以分别安装速度指数为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9五种黏滞阻尼器的单层框架为研究对象,开展不同策略下力修正迭代混合试验数值模拟。结果表明,两种力修正策略均能有效修正物理子结构反力,提高迭代收敛速度,且黏滞阻尼器速度指数越大,修正效果越好;与等效Maxwell模型力修正相比,等效线性模型力修正策略表现更为突出。该研究可为力修正迭代混合试验的发展与应用提供参考。

基于BP神经网络的离线迭代混合试验方法研究

利用反向传播(误差逆传播算法back propagation algorithm,BP简称反向传播算法)神经网络对非线性结构位移-力系统进行拟合,将训练好神经网络作为试验子结构与数值子结构联合求解,省去了混合试验中试验子结构与数值子结构之间的实时数据交互,并通过迭代训练样本的方法不断逼近真实响应,克服了神经网络需要大量训练样本的问题。通过对两个自由度的非线性结构进行混合试验数值仿真,验证了该方法的可行性。以实际工程的一榀框架为混合试验对象,取一个隔震垫作为试验子结构进行数值仿真,进一步验证了该方法的有效性。

考虑物理加载时滞的力修正迭代混合试验方法

为了提高传统迭代混合试验的收敛效率,提出考虑物理加载时滞的力修正迭代混合试验方法。该方法将数值子结构与试验子结构两部分进行全时程数据交互,其中包括时程内计算与加载的内环控制和时程间外环的迭代收敛控制。在时程内环通过力修正策略对运动方程数值积分中的试验子结构反力进行修正,同时结合三阶多项式外插方法对物理加载位移命令进行时滞补偿。在时程外环结合不动点迭代算法,建立外环迭代收敛控制器,以减小相邻两轮次之间的位移响应误差。以三层框架黏滞阻尼器减震结构为例,通过数值模拟对力修正策略进行了验证,进一步分析了加载时滞大小对迭代收敛性的影响。结果表明:力修正策略能有效提高迭代收敛效率,同时试验子结构反力修正精度越高收敛效率越高;物理加载时滞对迭代收敛性影响显著,时滞补偿能有效提高迭代收敛性。

复合地基褥垫层工作性能的混合试验研究

褥垫层是影响复合地基工作性能的关键影响因素。由于研究手段的欠缺,目前对复合地基褥垫层工作性能的认识还有待深入。采用开发的混合试验装置及数据交互系统开展混合试验,建立了褥垫层与上部加载的物理模型与桩土地基数值模型相结合的全组件参与的试验方法,大大缩减了模型试验工作量。利用该试验方法开展了3组不同褥褥垫层厚度的混合试验,分析了复合地基褥垫层的工作性能,揭示了桩土荷载传递规律、沉降规律及桩侧摩阻力的分布。随着褥垫层厚度的增加,桩间土承担的荷载以及桩土相对位移增加;当褥垫层厚度超过200mm时,桩土荷载分担比趋于稳定。

含减震外挂墙板装配式混凝土框架结构混合试验研究

在外挂墙板与主体结构间引入耗能连接可形成减震外挂墙板。现阶段缺乏对含减震外挂墙板装配式混凝土结构动力响应和减震效果的试验研究。为此,该文章设计了一榀6层3跨含减震外挂墙板平面框架结构(简称“减震结构”)以及一榀作为对比的纯框架结构(简称“抗震结构”),取底部中跨两层作为试验子结构,其余部分作为数值子结构,开展了两结构的混合试验。基于试验结果,分析了含减震外挂墙板装配式混凝土框架结构的损伤模式和动力响应,揭示了外挂墙板与主体结构协同工作的减震机理。结果表明:减震结构与抗震结构的损伤模式基本一致,均为梁端、柱底先后出现塑性铰,减震外挂墙板未改变主体结构的损伤演化模式;试验过程中,外挂墙板本身以及墙板与结构连接处均未出现裂缝,墙板可将结构层间变形有效传递至消能器;设防、罕遇和极罕遇地震下,减震结构的最大层间位移角较抗震结构分别减小了12.59%,17.68%和10.34%,具有较好的减震效果。

结构混合试验新进展:16WCEE相关论文综述

结构混合试验综合了数值模拟和试验加载的优点,是研究结构动力反应的有效方法之一。近年来,混合试验方法和技术得到长足的发展和应用。为了跟踪并把握混合试验的国际前沿动态,本文对第16届世界地震工程大会上关于混合试验的论文进行总结梳理,从逐步积分算法、试验加载控制、试验系统架构、试验误差控制和混合试验的应用等方面分类阐述结构混合试验的最新进展。

基于加性误差模型的实时混合试验自适应时滞补偿方法

实时混合试验是评估结构动力性能的有效方法,但由传递系统和物理试件的动力特性,以及二者之间的相互作用引起的时变时滞严重影响其精度和稳定性。针对此问题,提出一种基于加性误差模型的自适应补偿方法。该方法将传递系统和物理试件所组成的系统分解为名义模型和加性误差模型,以名义模型的逆作为前馈控制器消除系统大部分时滞,并基于加性误差模型设计自适应补偿器进一步消除残余时滞。研究表明,所提方法可有效提高实时混合试验的模拟精度,显著降低时滞补偿器对自适应律的依赖性,表现出较强的鲁棒性。

应用Python-GPU求解的实时混合试验方法研究

提出了基于Python和图形处理器(GPU)数值求解的实时混合试验系统。将土-结相互作用系统作为试验模型,使用Python-GPU代替CPU数值求解,对提出的实时混合试验系统进行了仿真与试验验证。研究结果表明,使用Python-GPU对无条件稳定算法求解,积分步长20 ms时GPU实时求解模型自由度超过24000,是同一台计算机CPU求解规模的7倍左右,提升了实时混合试验的试验能力。

RC隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

本文提出基于GPU并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性MDOF剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下RC隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明:10层RC隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。

基于混合试验设计的纯电动车多学科轻量化设计

为实现纯电动汽车结构轻量化设计,常采用基于试验设计和近似模型及优化技术的多学科优化设计。文章为了保证样本矩阵的正交性和均匀性,同时兼顾时间成本,对拉丁方试验设计进行改进,开发了混合试验设计算法。以某纯电动汽车开发为例,根据结构性能特点和工程经验对纯电动汽车白车身进行不同区域不同工况的轻量化设计,并利用混合试验设计方法生成兼顾正交性的均匀样本矩阵,建立近似模型并进行优化,整车减重8.8 kg,中间区域减重5.2 kg,减重率达6.4%。证明了采用混合试验设计方法可以生成具有较好效果的仿真方案,并减少样本数量,表明该算法具有工程实用性。结合分区域解耦优化策略,可以应用较少的资源和较低的时间成本,达到较好的减重效果。

水平及竖向地震作用下多高层RC框架混合试验

以往混合试验方法大多只考虑水平地震作用,为进一步拓展混合试验方法的应用,本文提出一种水平及竖向地震共同作用下多高层钢筋混凝土(RC)框架混合试验方法。该方法对框架结构计算模型和子结构边界条件进行合理简化,框架结构水平振动和竖向振动分别采用串联质点系模型和串并联多质点系模型进行模拟。在此方法基础上开发出一套完整的混合试验程序,该程序利用Matlab编写运动方程求解模块,采用OpenSees模拟数值子结构,并结合加载设备HNU-MUST开发出混合试验控制程序。为验证本方法和程序,设计并制作一根足尺RC框架柱作为试验子结构,并以一榀七层三跨RC框架作为整体结构进行混合试验,试验的顺利进行和良好稳定的试验控制效果验证了本方法的可行性与有效性。试验结果表明:在水平和竖向地震共同作用下RC框架柱轴力会发生剧烈变化,该轴力变化会使试件的受力状态和破坏形态变得较为复杂,同时可能会降低试件的强度和延性,并最终导致滞回曲线呈现不对称性和一定的“捏缩”现象。

基于模型更新的子结构拟静力混合试验方法

为解决传统拟静力试验无法获得整体结构真实抗震性能的问题,提出基于模型更新的子结构拟静力混合试验方法。将子结构概念与模型更新技术引入到拟静力试验中,利用参数估计方法优化数值模型参数以降低数值模型误差,通过对模型参数更新后的整体结构数值模型拟静力分析得到整体结构反应。分析在线及离线参数识别和模型更新策略,给出基于统计的隐性卡尔曼滤波器(UKF)模型更新方法。结果表明,基于统计的UKF模型更新方法可以有效提高参数识别精度,采用参数最终统计值离线更新的拟静力试验结果与参考解吻合良好。

固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究

在传统的海上风力机模型试验中,湍流风载荷在实验室中复现困难,实验室场地的空间限制无法进行大型海上风力机模型试验,上部风力机与下部平台存在的缩尺矛盾也无法深入研究海上风力机全耦合作用机理.随着计算能力的提升、数值积分算法以及控制等关键问题研究取得突破,上述矛盾可由实时混合试验方法解决.本文以美国国家可再生能源实验室(NREL)5 MW固定式海上风力机为研究对象,按照1∶90进行缩尺,制作物理子结构模型,开发AeroDyn程序作为数值子结构,添加UDP/IP通信机制作为数据采集与传输方式,以推杆式作动器为加载装置,搭建了完整的实时混合试验系统,进行无海浪工况下的固定式海上风力机实时混合模型试验.将试验结果与FAST软件结果进行对比分析,结果吻合良好,说明了实时混合模型试验方法的可行性.研究结果为海上风力机实时混合模型试验技术的进一步发展提供了参考,为海上风力机结构设计与安全运行提供技术支撑.