基于实时混合试验误差累积规律的时滞影响修正方法

为减小实时混合试验中的时滞影响,通常要对数值子结构计算得到的控制指令进行在线时滞补偿。为了保障实时性,要求作动器的负载不宜过大并处于最佳的性能区间。由于大比尺实时混合试验中物理子结构负载较大,对控制系统和作动器性能都提出较高的要求。此外,目前时滞补偿算法是无法完全消除时滞影响的,也即,时滞普遍存在于实时混合试验中且无法避免。针对上述问题,基于双显式数值积分算法的误差累积规律,该文提出了一种可以在试验后对试验结果进行修正以消除时滞不利效应的方法。分析了时滞对于实时混合试验结果的影响,对较大时滞情况下,尽管系统稳定,但可能得到“错误”的试验结果;通过理论推导,证明提出方法的合理性和适用性;通过4种实时混合试验工况的模拟,验证物理子结构分别为线性刚度、线性阻尼、非线性刚度及非线性阻尼构件的时滞修正效果。结果表明:所提出的方法可以显著降低时滞对于试验结果的影响;该方法对试验中时滞补偿效果不理想的情况,可以对位移、速度和加速度结果进行修正。     

一种非迭代式的分布式子结构混合试验方法

该文针对混合试验中的子结构试验积分算法进行研究,提出了一种基于模型的预测-修正算法(M-PC)。M-PC在预测时采用初始刚度求解动力方程以得到预测边界位移,与差分得到的预测位移相比,具有较高的精度和稳定性。M-PC是一种非迭代式的算法,对于子结构边界自由度较多的混合试验,该算法具有效率高的特点。该文首先介绍了M-PC积分算法的基本公式和进行子结构混合试验的具体步骤,然后通过编程实现了与OpenSEES和ABAQUS两种有限元软件的通用接口、电液伺服式加载装置的控制程序以及网络通讯功能,最后通过门式框架的子结构数值试验和物理试验对M-PC算法进行验证。结果表明:M-PC算法有效地预测静力边界位移,结构整体响应合理,正确地模拟了各子结构的非线性行为。     

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。     

外环位移控制与内环力控制的拟动力试验方法

对于大刚度结构试验,采用传统的位移控制加载试验难以进行,为此提出了外环位移控制、内环力控制的混合控制加载方法。在结构上设置外接高精度位移传感器测量位移反应,并设计位移控制器实现结构位移的反馈控制,同时采用一个位移与力转换系数,把位移命令转换为力命令使得加载设备采用力控制加载模式工作。为了验证该方法的有效性,首先介绍该方法的原理,然后进行数值模拟与试验验证。数值模拟和试验结果都表明,当选用合理的控制器参数时,该方法具有非常好的稳定性和精度,要优于传统拟动力试验方法,并且可以实现小位移的精确加载和测量,试验结果更准确。同时该方法中的内环采用力控制要比采用位移控制得到的试验结果更精确。研究表明,该方法可以很好地完成大刚度结构的拟动力试验。     

子结构混合试验方法研究与应用

子结构混合试验是再现大型结构复杂地震响应的最有效方法之一。该文总结了子结构混合试验在过去30年发展过程中所面临的主要问题。子结构混合试验需要一个稳定而精确的时间积分算法用于求解结构的动力方程,而这些时间积分方法需要对试验子结构提供显式的位移加载命令,并且最好具有抑制试验引入误差的能力。第二个挑战是隐式数值域和显式物理域的高效协同,主要采用了刚度预测方法和预测修正技术。最后,子结构的边界条件需要精确的施加到相应的边界上。这对于试验子结构是主要难点,因为现有加载仪器精度和数量的不足。为此发展了基于重叠领域的柔性加载制度和力-位移混合控制方法。为了使子结构混合试验的能力和精度最大化,近年来采用互联网技术将多个试验室资源连接起来,并引入大型商业有限元软件进行精细化模拟,这促成了三代可扩展的子结构混合试验平台。这些平台的柔性、可扩展性和精确性均通过一系列试验得到了验证。     

基于时滞追踪的实时混合试验自适应补偿方法

实时子结构试验方法因其高效、适用面广,近20年来受到结构试验领域的重视。虽然近年来硬件技术有所提升,但仍受到一些限制,例如,作动器加载时运动机构和控制回路存在时滞,导致无法准确地施加位移。故实时子结构试验中,如何消除时滞影响成为试验成功与否的关键所在。为了减小和消除实时子结构试验中时滞的不利效应,该文首先根据液压伺服作动系统和Simulink建立了实时子结构试验平台,而后提出了基于时滞追踪的自适应补偿方法,最后采用数值仿真和子结构加载试验进行了验证和参数分析。结果表明:该算法可根据作动系统负载不同对时滞实时自适应地补偿,从而避免迭代试验。该方法不改变原控制器固有算法,也无需对系统时滞参量进行预判定或系统辨识,只需将提出的自适应补偿算法串联接入到系统之中即可,实用性、鲁棒性好。算法对非线性系统导致的时变时滞效应也有理想的补偿效果,通过一个铝合金梁的弯曲测试说明了该算法的正确性,可推广应用于结构实时仿真试验。     

实时混合试验近完全时滞补偿方法的参数确定

实时混合试验是在拟动力试验方法的基础上发展起来的、能够考虑试件率相关力学性能的新型抗震试验方法,时滞补偿是该方法的重要问题。在前期近完全时滞补偿方法的研究基础上,该文研究了该方法的参数确定原则和该补偿方法的性能。近完全时滞补偿方法通过过预测结构位移响应并提前发送,实现实测位移超前期望位移;接着从实测位移数据中寻找与期望位移最接近者,以及与其对应的实测反力,并作为试件反力反馈到数值积分中。数值模拟表明无法回搜到与期望位移相等的实测位移时,方法可能发散。为了确定回搜跨度,分析了试验中可能出现的情况,针对每种回搜时间跨度区间分析了可能存在的最优反力-期望位移滞回环。进一步的数值模拟和真实试验验证了分析的正确性。试验也表明方法具有较好的精度。     

基于能量一致积分的拉索-阻尼器实时混合试验方法EI北大核心CSCD

实时混合试验是一种研究速度相关型试件动力性能的抗震试验方法,可以应用于拉索-阻尼器系统的力学行为研究。由于拉索具有较强的几何非线性,传统的线性无条件稳定积分算法无法保证拉索-阻尼器系统动力计算的稳定性。能量一致积分方法可以实现对非线性系统的无条件稳定,但应用于实时混合试验时,会遇到迭代导致作动器加载速度波动较大的问题。为了将能量一致积分方法应用于实时混合试验中,提出采用固定迭代次数并对迭代位移进行插值来实现平滑加载,然后对测得的试验子结构恢复力进行修正来实现系统能量一致。最后,对一个拉索-阻尼器系统进行了一阶模态振动下的实时混合试验数值仿真,验证了该方法的可行性。     

高速列车抗蛇行减振器实时混合试验方法研究EI北大核心CSCD

为对高速列车减振器开展低沉本、高精度的试验研究,开展了高速列车抗蛇行减振器实时混合试验方法研究。取抗蛇行减振器为试件并物理加载,取车辆动力学系统其余部分来数值模拟,通过实时计算、实时加载来共同完成动力试验。研究了加载系统时滞对试验结果的影响,比较了常速度时滞补偿方法和自适应时滞补偿方法的补偿效果。结果表明,对该方法而言,时滞补偿很有必要;相较于常速度的时滞补偿方法,自适应时滞补偿方法具有更好的补偿效果。该研究可为高速列车减振器动态性能分析以及列车抗蛇行性能评估提供试验方法支撑。     

交替协调子结构混合试验方法研究

该文提出一种静态与动态分离的在线混合试验框架,其中动力方程由时间积分算法得出,回复力由对子结构的静力加载得出。混合试验中,数值子结构和试验子结构之间的边界协调问题是试验成功与否的关键。该文提出一种交替协调的边界近似协调方法,数值子结构边界上的位移由上一步的试验子结构提供,而获得的边界上的力用于这一步的试验子结构的加载。将该方法应用于六层菱形BRB加固的混凝土框架中,通过数值验证,这种近似的边界协调方式引入的误差可以忽略。尽管这不是一种精确的边界处理方式,但它使子结构混合试验的实施变得更加简单且灵活。     

子结构试验的多自由度力-位移混合控制方法研究

现代结构试验通常抽取结构的一部分进行子结构拟静力或拟动力试验,同时对子结构边界进行近似处理,简化加载方案,以期在现有试验条件下满足大比例尺试验的需求。然而,这种方法应用于复杂构件时会带来较大的误差,特别是各向刚度差异很大的构件,由于各自由度之间的耦合效应,以及传统试验装置控制模式和精度的限制,难以实现轴向、剪切、弯曲以及扭转自由度之间的同步协调加载,加载误差严重影响了结构抗震性能评估试验的准确性。针对子结构试验中耦合多自由度同步协调加载问题,利用力-位移混合双闭环控制策略实现多自由度之间的解耦,采用鲁棒性PID控制方法,以减少多自由度同步协调加载过程中试件的材料非线性和加载装置的几何非线性带来的误差,提高子结构试验的精度。通过以某构件的子结构拟动力试验为例验证了所提出的力-位移混合控制方法的可行性和正确性。     

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。     

实时混合试验的自适应线性二次高斯时滞补偿方法研究

时滞补偿是实时混合试验(RTHS)成功非常关键的环节,传统时滞补偿方法主要针对建筑结构实时混合试验设计,主要关注低频的时滞补偿能力,但航空、交通等领域的结构频率较高,甚至超过10 Hz,高频信号对结构响应的影响不可忽略,较高的结构频率要求更小的时滞保证稳定性,对其进行实时混合试验需要在较宽频带上实现时滞补偿。该文提出了自适应线性二次高斯算法(ALQG)提高对高频信号的时滞补偿能力和稳定性。采用不同轨道梁截面刚度参数的桥梁作为数值子结构进行实时混合试验,检验ALQG算法在车桥耦合系统RTHS中时滞补偿的有效性和稳定性,并与采用ATS的结果进行比较。试验结果表明:ALQG算法能够较好补偿RTHS中的高频信号,补偿效果优于ATS算法。     

基于近完全时滞补偿方法的隐式实时混合试验方法

实时混合试验是一种新型结构抗震混合试验方法。隐式逐步积分算法虽然具有稳定性好的特点,但在实时混合试验中实施困难。文章在分析两种多自由度隐式实时混合试验方法的基础上,结合近完全时滞补偿方法,提出了一种新型隐式实时混合试验方法,并分析了该方法的性能。数值模拟表明,该方法具有较高的收敛速度和计算精度,能够同时考虑时滞补偿,能满足自由度数目较多的多自由度结构实时混合试验的要求。     

基于最小二乘法的时滞实时在线估计方法

在实时子结构试验中,液压伺服加载系统的时滞可能导致试验因丧失稳定而失败,因而时滞估计和补偿是该类试验的关键问题之一.在分析另外两种实时子结构试验时滞估计方法缺点的基础上,根据泰勒级数建立了命令位移、响应位移和系统时滞之间的近似关系,提出了采用渐消记忆递推最小二乘算法实时在线估计系统时滞的方法.时滞估计算例表明,即使考虑了随机测量误差和幅值误差,该方法也具有较好的反应速度和精度,能较好地跟踪系统时滞的变化.实时子结构试验时滞补偿算例表明,所提出的估计方法的精度、反应速度和时滞补偿效果都比较理想.与另外两种实时子结构试验时滞估计方法相比,该方法具有一定优势.     

实时混合试验的自适应时滞补偿方法EI北大核心CSCD

实时混合试验是由拟动力试验发展而来,时滞问题是实时混合试验的核心问题。传统时滞补偿方法往往假定试验中时滞不变,然而加载系统的非线性以及试件性能的变化可能导致系统时滞变化,使得此类方法性能不够理想。该文针对变时滞实时混合试验提出了基于模型参数识别的自适应时滞补偿方法。该方法将伺服系统简化为离散模型,通过在线参数估计确定系统状态,从而对伺服系统进行在线时滞补偿。该文首先阐述了该方法的原理,再通过数值模拟验证了方法的可行性与精度,并分析了不同模型对补偿的影响。     

实时混合试验的自适应时滞补偿方法

实时混合试验是由拟动力试验发展而来,时滞问题是实时混合试验的核心问题。传统时滞补偿方法往往假定试验中时滞不变,然而加载系统的非线性以及试件性能的变化可能导致系统时滞变化,使得此类方法性能不够理想。该文针对变时滞实时混合试验提出了基于模型参数识别的自适应时滞补偿方法。该方法将伺服系统简化为离散模型,通过在线参数估计确定系统状态,从而对伺服系统进行在线时滞补偿。该文首先阐述了该方法的原理,再通过数值模拟验证了方法的可行性与精度,并分析了不同模型对补偿的影响。     

考虑补偿的多自由度实时耦联动力试验时滞稳定性分析

该文首先建立考虑振动台响应时滞和时滞补偿策略的多自由度实时耦联动力试验的数学模型.然后以二层和三层框架结构为例,采用基于Padé展开逼近时滞项的根轨迹方法研究其稳定性.最后利用试验验证了理论分析得出的稳定条件.结果表明:时滞要求物理子结构和数值子结构的质量比小于一定的临界值才能保证试验的稳定;该临界值随时滞和结构自振频...     

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。     

偏心支撑框架空间子结构混合试验边界条件模拟方法

数值子结构的建模精度和子结构的边界条件模拟是子结构混合试验中的两个关键问题。为进一步研究这种新型结构试验方法对于空间框架结构的适用性,基于高强钢组合Y形偏心支撑框架模型展开研究。首先建立了一套由OpenSees, OpenFresco试验平台以及MTS加载系统组成的混合试验系统。然后分别针对2层、3层和4层3跨高强钢组合Y形偏心支撑框架,取底层带有偏心支撑的框架部分作为试验子结构,其余部分作为数值子结构在OpenSees中进行模拟。在混合试验之前,利用已有单榀试件拟静力试验结果对数值子结构的建模方法进行了数值模拟验证。最后选取El Centro波作为原始输入地震波,针对试验子结构的平动模拟和竖向荷载作用进行了一系列空间子结构混合试验。结果表明:通过数值模拟验证拟静力试验结果的方式,可以为混合试验中数值子结构的建模提供参考依据;采用双作动器水平加载来实现试验子结构的平动,可以有效考虑数值子结构对试验子结构的边界约束;竖向荷载的考虑,可以更真实的模拟试验子结构的重力二阶效应。