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。     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。     

非线性结构利用摩擦阻尼器振动控制的优化设计

研究了强烈地震作用下非线性结构中摩擦阻尼器的参数优化问题。非线性结构的恢复力和摩擦阻尼器的滞回特性分别用连续的Bouc-Wen模型表示,利用遗传算法以相对性能指标为目标函数对阻尼器的参数进行优化,比较了不同地震波下摩擦阻尼器的减震效果。取一个八层结构为例进行计算,结果表明,摩擦阻尼器能有效地减小非线性建筑结构在强烈地震下的响应,Bouc-Wen模型能够较好地模拟摩擦阻尼器的滞回性能,使用遗传算法优化后摩擦阻尼器的参数,提高了结构的减震效果。     

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。     

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.     

考虑厂房基础耦联作用的水轮发电机组轴系统动力反应分析

建立了水轮发电机组与厂房、机墩的耦联振动模型,考虑可倾瓦导轴承各瓦动力特性系数随轴心偏心距和偏位角的改变而导致的非线性特性,利用APDL语言编写的二维插值程序,考虑了各瓦动力特性系数随机组运行状态的调整,结合ANSYS对耦联模型进行瞬态响应计算,分析模型结果表明,考虑厂房基础耦联作用和各瓦动力特性系数的非线性变化后,轴系统的反应更加合理、可靠.     

冷弯薄壁型钢组合墙体非线性滑移滞回模型研究

为了研究冷弯薄壁型钢组合墙体的滞回性能,对4 片3m×2.4m(高×宽)不同构造的冷弯薄壁型钢组合墙体足尺试件进行了拟静力试验。根据试验所得的滞回规律,采用Richard-Abbott 曲线,建立了能反映其滞回曲线非线性、滑移捏缩、强度和刚度退化特征的三段式非线性滑移滞回模型,并在Origin8.0软件里辨识了各试件模型中的待定参数。研究结果表明:影响滞回曲线的主要因素为墙体先前经历的最大位移;典型捏缩滞回环的上升或下降段曲线可分为刚度单调变化的三段;用参数辨识结果得到的仿真滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好,三段式非线性滑移滞回模型能较全面地反映冷弯薄壁型钢结构组合墙体的滞回特征、模型表达式直观、各参数物理意义明确且易于识别。     

工程结构非弹性地震动力反应分析的BWBN模型

建立一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的恢复力模型,是开展工程结构抗震设计和抗震性能评估的关键和基础。该文首先回顾了工程结构非弹性地震动力反应分析的单轴、双轴和平扭耦联Bouc-Wen-Baber-Noori(简称BWBN)模型的研究现状,然后介绍了BWBN模型在模型参数识别、概率地震需求分析以及非弹性地震反应谱等方面的最新研究进展,最后对BWBN模型的后续研究工作进行了展望。     

近场地震下层间隔震偏心结构的减震控制

提出了近场地震分析模型,建立了层间隔震偏心结构平-扭耦联运动方程。基于三刚片系简化模型分析了偏心参数对层间隔震偏心结构的影响规律,定量分析了近场地震中脉冲分量对层间隔震偏心结构地震反应的作用效应。研究了在隔震层附设黏滞阻尼器的参数优化规律并对某典型算例进行了仿真分析。结果表明,在层间隔震体系隔震层处设置参数合适的黏滞阻尼器可有效地控制上部结构、隔震层与下部结构结构的地震响应,减小结构的基底剪力,对改善层间隔震偏心结构的地震安全性具有非常重要的作用。     

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。     

智能隔震:基于能量响应和可靠度的前景分析

介绍了智能隔震结构能量响应和动力可靠度分析的主要方法和数值规律。以多遇地震的情形为例,显示了线弹性智能隔震体系的瞬时能量传递的解析规律;以罕遇地震的情形为例,列举了滞变智能隔震结构的动力可靠度分析方法。在罕遇地震下,用退化Bouc-Wen模型描述上部结构的恢复力,用非退化Bouc-Wen模型描述隔震层的恢复力。采用虚拟激励法计算结构的随机响应,根据我国抗震规范中“大震不倒”的设防目标,采用各层最大层间位移峰值响应和累积滞变耗能构造双参数的随机疲劳累积损伤指数,作为功能状态指标。以作者承担的一项实际隔震工程作为数值算例,对比了被动隔震、智能隔震与非隔震体系的能量响应和条件失效概率,显示了智能隔震体系的减震优势。     

输入未知条件下基于自适应广义卡尔曼滤波的结构损伤识别

发展一种输入未知条件下的自适应广义卡尔曼滤波(Adaptive Extended Kalman Filter with Unknown Inputs,AEKF-UI)方法,在线复合反演系统参数与未知输入,结合基于改进粒子群优化算法的自适应技术实现系统时变参数追踪,进而识别结构损伤,包括损伤发生的时间、位置和程度。建立基础隔震结构实验模型及理论模型,其中隔震层的非线性动力学特性通过Bouc-Wen模型描述。对基础隔震结构进行振动实验研究,采用刚度元件装置模拟时间、位置和程度不同的结构损伤,基于测得的加速度响应和AEKF-UI方法进行实时系统参数与未知输入的同步反演。研究结果表明:在两种典型地震波激励下,AEKF-UI方法得到的识别值与参考值相一致,验证了该方法在系统辨识中的有效性和准确性。     

单桩横向非线性动力响应的简化分析模型

根据迟滞非线性系统随机振动的基本理论,在动力Winkler地基梁模型的基础上,提出了一个新的研究单桩横向非线性动力响应的一维简化分析模型。其中,桩周土对单桩的横向非线性作用力由连续分布的非线性退化迟滞弹簧模拟,而运动过程中的能量耗散,则由与非线性弹簧并联的、频率相关的粘壶表示。该模型能够反映单桩非线性行为的主要特征,并可以揭示各种非线性因素,如,桩周土的迟滞效应、桩周土力学性能的退化、桩周土的屈服、桩土界面分离等,对单桩动力响应的影响。该模型采用的计算参数,可以由实际桩土系统的物理参数、被广泛采用的设计规范和经验公式加以确定。计算结果表明,该模型可以较好地模拟各种单桩土系统的横向非线性动力学响应。     

利用部分加速度测量的结构滞回特性免模型识别

结构非线性恢复力与位移的关系即滞回特性是强动力荷载作用下结构损伤发生发展过程的直接表征,可直接用于结构耗能的定量评估。该文提出一种仅部分自由度受到激励且只有部分自由度上加速度响应测量已知时结构非线性恢复力和质量识别方法。无需结构恢复力参数化模型,利用切比雪夫多项式来描述非线性恢复力,结合无迹卡尔曼滤波算法（Unscented Kalman Filter, UKF）,在结构刚度、阻尼、质量未知情况下,实现非线性恢复力和结构质量识别。在一个多自由度数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,通过数值模拟验证该方法的识别效果。结果表明,该方法在仅部分自由度受激励且仅部分自由度上加速度响应时程已知时,可对结构非线性恢复力和质量进行有效识别。该方法对工程结构在强动力荷载作用下损伤发展过程的识别及耗能的定量评估具有重要意义。     

单自由度随机滞回系统的振动响应分析

在Bouc—Wen滞回模型的基础上，根据求解随机非线性结构动力学的二阶矩法，推导出求解由滞回环本身的随机性而引起的、单自由度随机滞回系统的响应的有效数值方法，得到了系统响应的均值和标准差。并采用Monte—Carlo数值模拟法对系统的响应进行模拟分析，其计算结果与数值模拟结果相基本吻合。从而解决了由滞回环本身的随机性引起的非线性振动系统的随机响应问题。     

基于T-S型模糊逻辑的半主动摩擦阻尼器对非线性结构的振动控制

采用T-S(Takagi-Sugeno)型模糊逻辑调节半主动摩擦阻尼器正压力的方法对非线性结构的振动控制问题进行了研究。首先,建立了采用连续Bouc-Wen滞回模型的非线性结构控制系统运动方程,运用时程分析法确定了小震下摩擦阻尼器的初始滑动力,然后在建立半主动控制策略的基础上,采用T-S型模糊逻辑调节作用在半主动摩擦阻尼器上的正压力,实现对非线性结构的振动控制。数值分析结果表明,该方法能有效地减小非线性结构在地震激励下的峰值响应。     

基于Bouc-Wen模型的非线性结构多尺度损伤分析研究

研究基于小波变换的非线性结构多尺度损伤特征提取方法。基于Bouc-Wen模型描述结构非线性损伤的时域演化特征,在此基础上分析结构动力响应的奇异性分析与时能密度分析对非线性结构损伤的时域识别能力。分析结果表明,结构动力响应的奇异性分析在非平稳激励输入和噪声影响下不能表征结构的时域损伤特征,而时能密度分析方法则具有良好的抗噪声干扰能力,可以有效地反映非线性结构系统刚度的时域变化过程。     

基于UKF模型更新的混合试验方法

在混合试验中,将结构划分为物理子结构和数值子结构两部分。对遭遇强震下大型结构的混合试验,很难保证数值子结构仍处于弹性阶段。为确保数值子结构模型的准确性,提出基于Unscented Kalman filter (UKF) 模型更新混合试验方法。该方法假定数值子结构与物理子结构恢复力模型相同,在混合试验进行中利用物理子结构试验观测数据,采用UKF方法在线识别物理子结构模型参数,实时更新数值子结构模型参数。通过数值模拟,应用UKF方法对单自由度结构非线性模型进行在线参数识别,验证UKF方法性能;通过对弹簧试件实际试验,验证该混合试验方法的有效性。结果表明,基于UKF模型更新混合试验方法较传统混合试验方法精度更高。