基于振动台的实时动力子结构实验系统稳定性预测研究

基于振动台的实时子结构试验是重要的现代结构试验技术,能很好的对土-结相互作用、减震系统（比如TLD、TMD）等动力特性进行大尺寸试件试验研究。试验系统稳定性是实现子结构试验的关键,但复杂的振动台动力特性使其稳定性预测精度还难以满足试验要求。该文结合振动台系统综合建模和根轨迹技术发展了稳定性预测方法,通过试验验证了该方法的可行性。同时从相位和幅值影响两方面对比讨论了常用分析方法的局限性,并采用该方法就结构特性对稳定性的影响进行了分析。研究结果表明考虑振动台综合模型的方法能很好的预测子结构试验系统稳定性。     

基于内环H_∞控制的实时混合试验

实时混合试验将结构的关键部位作为试验子结构进行试验,而其余部分作为数值子结构在计算机中模拟,并通过作动器或振动台对试验子结构进行加载来实现二者边界条件的协调。由于作动器-试件系统复杂的非线性动力特性,传统的PID控制器性能受到一定影响,必须采用时滞补偿方法或外环控制消除作动器-试件系统的非线性动力特性影响,才能保证实时混合试验的成功。为在作动器内环消除作动器-试件系统非线性动力特性的影响,采用基于混合灵敏度的H_∞控制理论设计实时混合试验作动器内环控制器,并研究了这种方法的可行性。数值仿真表明,H_∞控制器表现出较好的跟踪性能并具有一定的鲁棒性;单自由度线弹性结构实时混合试验证明了该方法在作动器内环控制上的可行性。     

结构多轴抗震试验加载系统开发及控制策略研究

开发基于液压伺服作动器的高性能三自由度结构动力试验加载系统,该系统特点为控制精确、功能全面。建立力控制下位移加载混合控制方法,提出拟静力试验中多作动器耦合控制策略。以足尺钢结构立柱为试件,研究应用三自由度结构动力试验系统进行拟静力试验与混合试验具体方法,验证该试验系统在结构动力试验中应用的可行性、有效性。结果表明,通过对多作动器的耦合控制,该试验系统可在拟静力试验中同时实现对立柱试件恒定的竖向力控制及精确剪切型加载。通过基于α-OS法的混合试验证明该加载系统可精确模拟单柱子结构复杂边界条件,对整体坐标与作动器局部坐标变换,可实现多作动器位移协调加载。该结论可推广至多自由度试验系统研究中。     

设备-结构动力相互作用振动台试验方法研究

为了合理评估设备与结构的抗震性能,开展设备-结构动力相互作用振动台试验方法研究。按照分支子结构方法推导设备-结构动力相互作用运动方程,提出了考虑设备-结构动力相互作用振动台实时子结构试验方法,该方法将设备作为试验子结构由振动台加载同时结构作为数值子结构由仿真软件计算联合进行振动台试验,能够考虑设备-结构相互作用对设备抗震性能的影响。设计了四层的钢框架设备-结构动力相互作用缩尺模型,进行各地震动作用下的振动台实时子结构试验与传统整体振动台试验。通过比较发现两种试验方法得到的结果基本吻合在一起,证明提出的振动台实时子结构方法是可靠有效的。试验分析表明忽略设备-结构动力相互作用将影响结构或设备真实的地震反应,特别是对于设备反应的影响更显著。     

考虑作动器时滞及其补偿的实时子结构实验稳定性分析

实时子结构实验中,使用液压伺服作动器作为加载设备时会出现作动器响应的时滞问题。根据作动器的动力特性,提出液压伺服作动器阶跃响应的双线性简化模型。基于该模型,以OS法(Operator-Splittingmethod)和中心差分法为例,利用谱半径方法分析了作动器时滞及其补偿对实验稳定性的影响。分析结果表明,作动器时滞使实验的稳定性降低,三阶外插补偿可以提高实验的稳定性。此外,分析结果也表明OS法的稳定性好于中心差分法。     

电磁作动器在主动隔振系统中的频响及耦合特性

作动器的动态特性对主动振动控制的效果起着关键的影响作用.针对电磁作动器的频响特性进行研究,建立了典型线圈电磁作动器的力学模型,分析了不同负载时电磁作动器的频响特点.考虑电磁作动器与被控隔振系统的耦合影响,建立了电磁作动器的作动力与输入电压之间的频响函数,分析了反馈增益及被控系统参数对电磁作动器频响特性的影响规律.结果表明,加速度、速度和位移三个反馈增益分别影响作动器的高频、中低频和低频性能,被控系统的质量、阻尼和刚度主要影响作动器的高频、中高频和低频特性.为提高精密主动隔振系统的控制精度,应考虑作动器与被控系统的耦合影响.     

大尺寸非线性实时动力子结构试验实现

实时子结构试验结合物理试验和数值计算的优点,间接增强了既有设备试验能力。受数值积分算法和加载系统控制方法的限制,该方法目前仅限于结构线性或小尺寸试件非线性动力特性研究。为了改善数值子结构求解及物理子结构控制性能,基于SIMULINK发展了闭环数值积分方法、建立了基于仿真的逆动力补偿控制策略。利用这两项技术成功实现了大尺寸试件非线性实时子结构试验,并通过数值仿真和试验验证了其性能。研究表明:发展的非线性实时子结构试验充分释放了该试验技术的潜能。     

有限元实时耦联动力试验的时滞稳定性研究

该文针对数值子结构使用有限元模型的实时耦联动力试验(FE-RTDHT)系统,建立了考虑加载体系时滞及其补偿的动力分析模型。采用根轨迹方法,进行了FE-RTDHT算例的时滞稳定特性分析,并对稳定性分析结果进行了数值仿真验证。研究结果表明:时滞明显改变了FE-RTDHT系统固有模态的动力特性,使得试验子结构质量必须小于某一临界值才能保证试验系统的稳定;三阶多项式预测补偿可以明显改善系统固有模态的动力特性,但是对系统稳定性的影响与系统失稳机理相关。     

直升机结构响应主动控制作动器优化设计研究

采用子结构综合法建立考虑作动器动特性与其相互影响的直升机机身／多作动器耦合系统频域数学模型，研究了直升机结构响应主动控制中采用作动器位置序号进行编码的遗传算法对多作动器位置进行优选，以及与电磁式惯性型作动器参数优化的综合优化问题，进行了结构响应主动控制试验研究，验证了多作动器减振的有效性和所提出的作动器位置优选方法的正确性。     

基于子结构试验的土-结相互作用实现研究

传统的土-结相互作用试验由于加载系统的出力和尺寸限制,目前只能进行大比例缩尺试验,且对于大跨空间结构、桥梁等长大型结构考虑土-结相互作用的地震作用性能,目前的试验设备也存在局限。而实时动力子结构试验方法将试验对象不可建模部分在实验室进行物理试验,剩余部分作为数值模型进行建模,二者保证同步可对整体试验对象性能进行模拟,克服了传统土-结相互作用试验研究的不足。该文应用动力子结构试验方法,对土-结相互作用问题进行了研究,建立了整体试验模型及混合动力子结构试验模型,并通过试验进行了验证。利用该文发展的子结构试验技术,分别对多跨连续刚构桥梁和钢筋混凝土高墩大跨度刚构桥梁考虑土-结相互作用抗震性能进行了试验研究,试验结果表明该方法存在一定应用价值。     

多自由度实时子结构试验系统稳定性分析方法

实时子结构试验将数值模拟和物理试验相结合,充分发挥各自优点,为工程结构研究提供了一种新的试验手段。系统稳定性是保证实时子结构试验成功实现的前提,但现有研究成果主要针对单自由度结构,多自由度系统稳定性评价方法所需参数相对复杂、稳定性指标物理意义不够明确。该文结合振型叠加法和增益裕度概念发展了多自由度稳定性分析方法,通过试验验证了该方法的有效性。同时运用该方法就时滞补偿下实时子结构试验系统稳定性进行了评估,并阐述了时滞补偿对实时子结构试验系统稳定性的影响机理。研究结果表明该方法能准确评价多自由度子结构试验系统稳定性,时滞补偿对子结构稳定性可能产生有利也可能产生不利影响。     

MFXRLS‐based adaptive feed‐forward controller implemented with velocity sensor identified by frequency response to improve actuator speaker performance in ANC systems

Abstract

To improve performance of a “dual voice coil” (DVC) actuator speaker in an active noise control (ANC) system, a speaker model that includes coupling dynamics and source of noise pressure is first derived to design an adaptive feed‐forward controller based on modified, filtered‐X, recursive‐least‐squares (MFXRLS) algorithm in this investigation. A novel velocity sensor measuring velocity of the speaker face is further developed by use of a frequency‐response method. Two transfer functions required for the velocity sensor are identified in two steps: (i) the adaptive feed‐forward controller is applied to keep speaker face velocity zero to identify the first transfer function; and (ii) the second transfer function is then obtained experimentally using the first transfer function. Performance of the established velocity sensor is similar to that of a Polytec OFV2100 laser velocity transducer. This velocity sensor is then incorporated with the adaptive feed‐forward controller to control the DVC actuator speaker in the ANC system. For a sinusoidal command input of frequency below 390 Hz, the controlled speaker acquires a unit‐gain magnitude and zero phase degree, showing that the controller can effectively reduce effects of the speaker dynamics, including coupling dynamics.     

考虑基础结构损伤的无砟轨道-车辆耦合动力模型及其求解

为了探究无砟轨道结构损伤与车轨动态相互作用的相互影响机制,基于经典的车辆-轨道耦合动力学理论,利用混凝土弹性损伤本构考虑无砟轨道结构的损伤效应,将车辆简化为多刚体系统,并假定随机性的轨面不平顺以单节车长为周期重现,利用Hertz非线性接触实现车辆系统与含损伤无砟轨道系统的垂向传力耦合,从而建立考虑轨道结构损伤效应的无砟轨道-车辆垂向耦合周期性动力模型;为了加速该同时包含材料非线性和接触非线性的动力模型求解的收敛速度,采用隐式动力预测-校正算法和轨道-车辆系统交叉迭代的求解策略,实现了含损伤无砟轨道-车辆垂向耦合动力模型的隐式快速求解。     

冗余驱动液驱振动台台阵系统内力分析及其抑制方法研究

冗余驱动振动台台阵系统误差不仅会造成单个振动台内力,也会使振动台之间产生台阵内力,这会减小系统的净出力,甚至损坏试件。首先应用冗余驱动并联机构动力学原理,分析冗余驱动振动台台阵系统内力的形成机理;建立台阵系统的内力耦合模型,推导系统的机械安装误差、位移测量误差和伺服阀零偏三种主要误差因素与振动台内力和台阵内力的数学关系式,进而定量地分析上述误差对系统内力的影响机理。然后结合动力学关系得到振动台的内力合成矩阵和自由度广义力合成矩阵,并根据系统内力的形成机理和影响机理,分别设计了比例-积分控制器对振动台内力和台阵内力进行抑制。最后,利用Sim Mechanics软件建立冗余振动台台阵系统动力学模型,结合Simulink软件建立其控制系统模型并进行联合仿真验证。仿真结果表明:该方法对台阵系统内力影响机理分析正确和提出的内力抑制方法能够有效地消除系统内力。     

借助准标样测算夏比冲击试验测量不确定度的方法

为解决在测定材料冲击吸收功出现用户验收结果与出厂检验结果不一致的问题,提出了用准标样测算冲击试验测量不确定度的方法。这种方法可作为双方在进行冲击值比对分析时都能接受的评定方法。     

高性能混凝土抗裂性能研究

该文对高性能混凝土的抗裂性能进行了系统的研究,主要包括:高性能混凝土收缩与抗裂性能的试验方法,研制出一种测试混凝土抗裂性能的诱导开裂试验方法,该方法避免了混凝土裂缝出现位置的随机性以及混凝土塑性沉降引起的材料不均匀等带来的测试结果不准确,同时研制出一种多点、实时、自动监测混凝土试件开裂时间的系统,可应用于测试混凝土早期的裂缝出现时间;进行了大量自生收缩试验和干燥收缩试验,对影响高性能混凝土自生收缩和干燥收缩的因素进行了深入的研究,提出了减少收缩变形的混凝土原材料选用和粉煤灰及矿渣单掺与多掺的最佳掺量,提出了高性能混凝土自生收缩和干燥收缩计算模型;采用平板诱导开裂法和圆环测试系统进行了大量的抗裂性能试验,深入研究了混凝土原材料特别是粉煤灰及矿渣影响高性能混凝土抗裂性能的规律,提出了实现高抗裂性能的混凝土原材料选用和粉煤灰及矿渣单掺与多掺的最佳掺量;研究成果成功地应用于实际工程中,取得了显著的技术和经济效益。     

作动器连接耳环-关节轴承系统Link单元等效建模及结构分析

作动器连接耳环—关节轴承系统的结构与载荷的复杂性决定了其力学计算的复杂性。因为在完全润滑的条件下,关节轴承内外环之间的切向作用可以忽略,而其间的法向作用可用只能承受压力的Link单元来代替,同时这种方法避免了由于双曲率曲面接触、单元形状畸变及其他力学难题等带来的收敛困难。采取这种等效建模的方法对连接耳环的受力情况做了详尽的分析,计算了与之相连的关节轴承的载荷及变形状况,为结构设计的改进提供指导。     

基于SW的整机凸轮连杆CAD系统开发

目的 基于SW二次开发,为食品包装设备开发专用的整机凸轮连杆机构设计分析系统;利用SW为整机执行件运动的稳定性和不干涉性提供一种直观的评估方法.方法 根据执行件的运动形式和凸轮连杆机构的结构形式,基于SW 3D建模软件,利用VS作为开发工具搭建C++开发环境,从而构建整机凸轮连杆CAD系统.将整机执行件作为研究对象,利用ADAMS和Ansys进行刚柔耦合仿真分析.研究主受力杆件和细长杆件柔性化对整机执行件稳定性和不干涉性的影响,从而验证此系统设计整机凸轮连杆机构的合理性.结果 在高速条件下,对整机凸轮连杆机构进行刚柔耦合仿真,其结果符合动作时序设计要求.上冲执行件位移最大偏差率为0.08％,速度最大偏差率为0.05％,加速度与理论设计基本相符,因此具有较好的稳定性和不干涉性.结论 刚柔耦合仿真结果能正确地反映整机执行件运动过程的稳定性和不干涉性,从而验证了此系统设计整机凸轮连杆机构的合理性.