Bouc-Wen模型参数识别的非线性自适应遗传算法和试验验证

Bouc-Wen模型是一种可表征结构及构件在往复荷载作用下的刚度退化、强度退化等的一种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。Bouc-Wen模型参数是决定结构构件滞回模型力学特征的关键,由于该模型参数众多且物理意义不明确,往往只能从滞回数据得到近似解。为适应该类模型参数高效识别的需求,该研究提出了一种非线性自适应遗传算法,并通过4片不同配筋和加载条件的RC剪力墙的低周反复加载试验对Bouc-Wen模型参数识别的效果进行了验证。模型参数识别得到的滞回曲线和算法效率与标准遗传算法识别的结果以及实验数据进行了对比,结果表明:所提出的方法显著提升了Bouc-Wen模型的识别精度与效率。该文所提出的方法可用来进行结构滞回模型的识别并用所识别的模型进行结构的非线性行为模拟。     

硅橡胶基电流变弹性体的动态粘弹性及非线性本构模型

对电流变弹性体(electrorheological elastomers,EREs)的动态粘弹性及本构模型进行研究。以硅橡胶为基体,TiO2/尿素核壳颗粒为功能分散相,在1kV/mm取向电场条件下固化,制备颗粒体积含量为30%的各同异性ERE。在不同电场强度、剪切频率、应变幅值下测试ERE的应力-应变滞回曲线,并分析各工况下ERE的动态粘弹性,得到电场强度、应变幅值、剪切频率等因素对ERE动态粘弹性的影响规律。在实验基础上,建立了基于修正Bouc-Wen模型的ERE非线性本构模型,并识别出模型参数。结果表明,该本构模型模拟结果与试验数据吻合较好,说明该模型能够准确表征材料的动态粘弹性和非线性特征。     

基于遗传算法的直升机旋翼液弹阻尼器模型参数识别

建立直升机旋翼液弹阻尼器非线性动力学参数模型,引入具有全局搜索能力的遗传算法进行模型参数识别,解决因模型复杂造成的传统参数识别效率及精度较低问题。据识别所得参数模型重构力—位移迟滞回线并与液弹阻尼器动力学试验数据对比结果显示,参数模型重构曲线与试验曲线吻合良好,验证参数模型描述液弹阻尼器非线性动力学特性的准确性及采用遗传算法识别模型参数的有效性。对不同位移幅值与不同频率下液弹阻尼器动力学特性模拟计算均获得与试验一致结果,表明非线性参数模型及参数识别方法鲁棒良好性、精度较高。     

铅-磁流变阻尼器的试验及计算模型

首先介绍了铅-磁流变阻尼器（LMRD）的构造与特点。然后根据LMRD试验测得的滞回曲线,提出了该阻尼器的力学模型-Michaelis-Menten模型,并对模型参数进行了识别。最后通过将模拟结果与试验结果进行对比对模型进行了验证。结果表明:Michaelis-Menten模型能描述电流、位移幅值和激励频率对LMRD力学性能和非线性滞回性能的影响。     

混合非线性黏弹性阻尼器非线性特征与力学模型研究

随着黏弹性材料的不断发展,出现了具有更大耗能能力和变形能力的新型黏弹性阻尼器,但同时不可避免的丧失了其线性特征。该文基于一种混合非线性黏弹性阻尼器,揭示了其多种非线性特征的来源及规律,并基于此提出和验证了能够全面考虑其非线性特征的力学模型。结果表明,该种混合非线性黏弹性阻尼器的非线性来源主要包括五方面:相位差非线性引起滞回曲线形状的改变、初次加载大应变速率引起的初始刚度、升温效应和疲劳性能引起的软化、马林斯效应导致的大应变幅值下的软化和捏拢效应导致的大应变幅值下的硬化。提出的力学模型数学表达简洁,能够呈现其多种非线性因素和规律,无需在不同工况下分别进行参数识别,与试验结果吻合良好,能够精确模拟其滞回行为。     

O型钢丝绳隔振器动态迟滞模型参数识别方法研究

针对O型钢丝绳隔振器具有非线性弹性刚度、非对称迟滞动态特性,采用改进的归一化Bouc-Wen模型并基于该模型对钢丝绳隔振器动态特性参数识别方法进行研究。提出新的简单有效的两阶段识别方法进行参数辨识研究。通过数值仿真与周期性加载试验相结合方法对所提方法进行验证。结果表明,参数识别方法可准确有效识别出O型钢丝绳隔振器模型参数,且试验迟滞曲线与识别模型迟滞曲线吻合较好。     

一种新型电涡流阻尼器及阻尼性能研究

基于电涡流原理提出一种新型的可用于航天器振动被动抑制的电涡流阻尼器。首先,依托数值仿真建立阻尼器的磁场和力学有限元分析模型,对阻尼器的性能进行分析计算。其次,在振动测试实验台上进行阻尼特性测试,获得了小位移0.1 mm、大位移1 mm下的1 Hz～50 Hz频率范围内正弦激励作用工况下的阻尼系数。然后根据Bouc-Wen滞回模型建立了阻尼器的力学模型,研究了负载、阻尼器结构、交变洛仑兹力之间的关系。研究结果表明这种新型的电涡流阻尼器在外载激励作用下能够输出与仿真结果较为接近的阻尼力,且阻尼系数随激励频率变化具有明显的规律性,根据仿真和实验结果建立的阻尼力力学模型可以很好地用于电涡流阻尼器的力学特性仿真分析。     

一种考虑应变幅值和应变速率影响的超弹性SMA宏观唯象本构模型

为充分发挥超弹性SMA的减振特性,奠定应用理论基础,对SMA丝进行了力学性能试验研究,探讨了循环训练次数、应变幅值和应变速率对SMA滞回性能的影响。基于SMA丝力学性能测试结果,在广义粘塑性框架下,对Graesser宏观唯象本构模型进行了拓展。新模型考虑了马氏体正/逆相变过程中特征参量的差异以及大应变幅值下的马氏体硬化特性,并通过引入的内变量演化方程,描述了应变幅值和应变速率对超弹性SMA滞回性能的影响;通过Matlab/Simulink模块对超弹性SMA滞回曲线进行了模拟,并将预测结果和试验结果进行了对比。结果表明:所建立的应变幅值-应变速率相关型SMA宏观唯象本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映应变速率和应变幅值对SMA滞回性能的影响。     

旋转剪切式MR阻尼器的性能试验与改进滞回模型

基于Bingham力学模型,设计、制作小尺寸旋转剪切式MR阻尼器,通过数字式特斯拉计测量励磁线圈的磁感应强度.设计了阻尼器试验装置,并对此MR阻尼器进行2种激励位移、11种输入电流和4种激励频率共88种工况的力学性能试验,根据MR阻尼力—速度滞回曲线,克服Bingham模型在零速度附近不能说明阻尼力—速度的关系,引入惯性力项方法,提出了改进滞回曲线非线性力学模型.采用智能粒子群算法辨识修正的滞回力学模型参数,通过阻尼器试验数据与修正滞回力学参数值进行对比,证明此滞回模型能很好地描述MR阻尼器强非线性的动力特性.     

非线性结构系统识别的自组织蒙特卡洛滤波方法

摘 要：提出一种对扩展的非线性状态空间模型进行识别的自组织序贯蒙特卡洛滤波方法. 通过在原始状态空间模型中增加未知待识别参数来定义扩展的状态空间模型,该模型为自组织非线性状态空间模型,适用于解决噪声分布的自校正问题;同时该系统识别方法通过引入局部似然函数,可以从有限的有效数据中进行最优参数选取.给出了Bouc-Wen滞回系统识别的数值算例,证明了该方法的有效性.     

基于多谐波平衡法的滞回分数阶系统稳态动力响应

结构隔震和耗能减振装置有时会同时体现出动力特性的频率依赖和滞回关系,分数阶导数模型能以较少的参数模拟力-位移关系的频率依赖性。采用谐波平衡法研究简谐激励下同时具有滞回特性和分数阶阻尼单元的系统稳态响应。利用激励和响应过程的Fourier级数展开并取谐波平衡后,求得滞回响应和位移响应Fourier级数之间的关系;将滞回微分方程写成余量的形式并结合Galerkin方法和Levenberg-Marquardt算法求得响应的Fourier级数;分别对硬化和软化Bouc-Wen滞回系统的数值模拟显示所建议方法的精度。研究结果表明,分数阶数和稳态位移幅值之间的关系依赖于系统和滞回参数以及激励频率。     

高阻尼黏弹性阻尼器性能与力学模型研究

对2个高阻尼黏弹性阻尼器进行不同应变幅值、加载频率下的力学性能试验和疲劳性能试验,研究试件在不同工况下的最大剪应力、存储剪切模量、损耗剪切模量和等效黏滞阻尼比等力学性能及其变化规律,提出五单元模型模拟黏弹性阻尼器的滞回性能。研究结果表明：黏弹性阻尼器滞回曲线饱满、稳定,具有较高的等效黏滞阻尼比,表现出良好的变形性能和耗能能力;黏弹性阻尼器力学性能与应变幅值的相关性明显,与加载频率相关性较小,抗疲劳性能较好;五单元模型模拟的滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好。     

基于塑性理论的形状记忆合金本构模型、试验和数值模拟

通过拉伸试验,研究了超弹性形状记忆合金（SMA）丝在不同应变幅值反复加卸载条件下的滞回变形行为。在测得试验数据的基础上,针对目前广泛使用的SMA Graesser＆Cozzarelli模型仅描述了小应变情况下SMA特性,而在大应变下SMA马氏体的硬化特性不能得到描述的问题,提出了修正的SMA本构模型,并把模型拟合结果和实验数据进行了比较分析。结果表明,模型数值拟合结果和试验数据吻合很好,可以很好地描述SMA在不同应变幅值下的应力-应变关系;且模型形式简单,概念明确,参数容易得到,具有一定的工程应用价值。     

装配式减震节点转动型阻尼器抗震性能及恢复力模型研究

提出一种可用于预制装配式结构中梁柱连接和耗能的转动型阻尼器——扭转钢管阻尼器。设计了5个不同参数的扭转钢管阻尼器试件并对其进行了拟静力低周往复加载试验,结果表明：试件整体绕销轴发生转动变形,具有良好的转动变形能力,极限转角均在0.06 rad以上,延性系数均大于规范要求的4.0;试件的滞回曲线饱满,具有明显的等向强化特征,等效黏滞阻尼系数达到0.5左右,具有良好的耗能能力;试件的壁厚和外径越大、有效管长越小,其转动强度越大;试件在等幅循环加载下各项疲劳性能指标基本在±15%的规范要求内,具有良好的抗疲劳性能。在此基础上,对Bouc-Wen模型进行改进以模拟阻尼器的滞回行为,采用量子粒子群算法对试验滞回曲线进行了参数识别,识别结果表明改进Bouc-Wen模型能更好地适应试件的等向强化特性,具有比Bouc-Wen模型更高的模拟精度,可用于整体结构的抗震分析计算。     

多股簧系统动态响应等效线性化分析

分析归一化Bouc-Wen模型描述的滞迟阻尼能量损耗,建立该模型极限环在任意变形幅值下能量损耗计算公式及快速计算方法,提出多股簧系统频率响应特性的等效线性化分析方法并用数值仿真进行验证。结果表明,等效线性化分析与数值仿真结果一致,且计算速度远高于数值仿真。该方法可显著提高多股簧系统设计效率,对工程中大量具有近似线性系统响应特性的多股簧系统设计有实际意义。     

超弹性形状记忆合金的神经网络连续本构模型

对超弹性形状记忆合金(SMA)丝在不同应变幅值和荷载速率下进行加卸载单轴拉伸试验,分析其滞回特性随环境因素的变化规律。将径向基函数神经网络(RBFNN)和Graesser模型结合起来,Graesser模型参数取自试验曲线,能由数学式确定的模型参数和应变幅值、荷载速率一起作为网络的输入信息,不能由数学式确定的模型参数作为输出神经元。数值计算表明,RBFNN可以精确地预测Graesser模型参数,且计算的SMA应力-应变曲线与Graesser模型结果吻合很好。     

基于遗传算法的磁流变阻尼器模型参数识别

优化技术是一种以数学为基础,可用来求解各种工程问题最优解的应用技术.本文利用磁流变阻尼器动态特性数据,采用遗传算法进行阻尼器模型参数识别优化过程,最终将得到的磁流变阻尼器模型参数用于土木工程结构振动控制研究.已建立的磁流变阻尼器的动力特性将在不同的电场强度和变化的位移幅度下进行测试,可以得到在不同位移和速度下恢复力的滞回曲线,建立Bouc-Wen模型.把根据试验得到的滞回曲线和使用遗传算法对模型参数进行优化的结果进行比较可知,这种模型的参数可以以十分小的误差得到优化.     

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。     

钢筋混凝土柱的非对称恢复力模型与参数识别

强震作用下钢筋混凝土柱往往表现出明显的强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称性等滞回特性,而传统的恢复力模型难以合理描述上述滞回特性。该文基于Bouc-Wen-Baber-Noori（BWBN）模型,通过在滞回位移与相对侧向位移的微分函数关系中引入描述非对称滞回性质的形状控制参数,建立了一种能够有效考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及非对称滞回特性的改进BWBN模型,进而结合微分进化算法提出了非对称BWBN模型参数的识别技术,并利用钢筋混凝土柱的拟静力往复加载试验数据,对比验证了该模型的有效性。     

基于滞回非线性基座结构的舰船低频线谱重构试验研究EI北大核心CSCD

针对舰船振动噪声低频(100 Hz以下)线谱重构问题,提出了一种含半主动作动元件(磁流变阻尼器)的滞回非线性基座结构,并给出了基于MRD(magnetrokeological damper)电流调节的舰船振动低频线谱重构方法。首先,基于Bouc-Wen滞回非线性模型建立起了新型基座结构的运动方程并开展数值仿真分析,发现MRD的引入在使基座振动出现了分岔、混沌特征,这为舰船振动线谱重构奠定了理论基础;为进一步验证所提滞回非线性基座的低频线谱重构效果,搭建了缩比模型试验平台并开展了线谱重构试验。试验结果表明:40组工况中线谱幅值降低效果平均达到49.8%,最大可达90.7%。