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采用隐性卡尔曼滤波器的自适应子结构试验方法

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振动工程学报 2013年第3期26卷 328-334页

作者：王涛张健吴斌哈尔滨工业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150090 黑龙江科技学院建筑工程学院黑龙江哈尔滨150027

在传统子结构拟动力试验基础上,提出采用隐性卡尔曼滤波器的自适应子结构试验方法,以减小由于数值子结构中相应构件的恢复力模型误差所带来的不利影响。在子结构试验过程中,在线识别试验子结构模型参数,实时更新数值子结构中相应构件的... 详细信息

在传统子结构拟动力试验基础上,提出采用隐性卡尔曼滤波器的自适应子结构试验方法,以减小由于数值子结构中相应构件的恢复力模型误差所带来的不利影响。在子结构试验过程中,在线识别试验子结构模型参数,实时更新数值子结构中相应构件的恢复力模型参数。快速准确的恢复力模型在线识别方法成为自适应拟动力子结构试验的关键,将试验子结构恢复力模型的模型参数作为试验子结构系统状态变量的一部分,采用隐性卡尔曼滤波器在线识别其模型参数。通过数值仿真检验采用隐性卡尔曼滤波器在线识别的自适应子结构试验方法性能。结果表明:所提出的自适应子结构试验方法具有很好的精度和较快的识别速度,试验结果较传统子结构试验结果有较大改善。

关键词：子结构试验拟动力试验恢复力模型在线识别隐性卡尔曼滤波器

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基于能量守恒积分的子结构试验方法

工程力学 2010年第1期27卷 1-7页

作者：李妍吴斌欧进萍中国石油大学(北京)石油天然气工程学院北京102249 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090 大连理工大学土木水利学院大连辽宁116024

为了提高子结构试验技术对非线性结构的稳定性,把无条件稳定的能量守恒逐步积分方法实施于子结构试验中,提出基于该逐步积分方法的子结构试验方法(以下简称能量守恒子结构试验方法)。在试验方法中采用等效力控制方法求解隐式差分方程。... 详细信息

为了提高子结构试验技术对非线性结构的稳定性,把无条件稳定的能量守恒逐步积分方法实施于子结构试验中,提出基于该逐步积分方法的子结构试验方法(以下简称能量守恒子结构试验方法)。在试验方法中采用等效力控制方法求解隐式差分方程。在试验流程图中提出模块CR的计算方法,从而解决了能量守恒方法实施于子结构试验的关键问题。然后对单自由度线性结构和非线性结构的能量守恒子结构试验进行数值仿真,结果表明提出的试验方法是可行的。最后实现了线性弹簧试件、非线性防屈曲支撑试件的能量守恒子结构拟动力试验,试验结果进一步证明了该试验方法对线性结构和非线性结构都是可行的。

关键词：子结构试验能量守恒逐步积分方法等效力控制方法防屈曲支撑拟动力试验稳定性

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基于子结构试验的土-结相互作用实现研究

工程力学 2017年第B6期34卷 214-219页

作者：郭珺唐贞云李易李振宝北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

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... 详细信息

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。

关键词：土-结相互作用振动台子结构试验多点地震动输入应用

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基于TMD加载的振动台子结构试验技术研究

地震工程与工程振动 2019年第4期39卷 98-104页

作者：纪金豹王晨光闫维明北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室

为克服常规振动台子结构试验需要设置大行程作动器和附加反力墙,实施难度大,控制比较复杂的困难,本文以调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)作为振动台子结构试验的一种简化加载装置,给出了TMD装置动力参数的设计方法,通过数值模拟... 详细信息

为克服常规振动台子结构试验需要设置大行程作动器和附加反力墙,实施难度大,控制比较复杂的困难,本文以调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)作为振动台子结构试验的一种简化加载装置,给出了TMD装置动力参数的设计方法,通过数值模拟和振动台试验检验了基于TMD加载的振动台子结构试验的控制效果。研究表明,合理设计TMD装置的控制参数可以在一定程度上满足振动台试验的控制精度要求,TMD加载方法适用于特定结构形式的振动台子结构试验。

关键词：结构试验技术地震模拟振动台子结构试验实时混合试验调谐质量阻尼器

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消能连梁子结构试验研究

地震工程与工程振动 2014年第S1期34卷 743-749页

作者：施唯王涛孔子昂毛晨曦中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150080

本文对带缝钢板阻尼器消能连梁进行了子结构试验研究,带缝钢板阻尼器通过预埋钢板与混凝土部分螺栓连接,与相同配筋的混凝土连梁相比,屈服强度为50%,刚度为80%,通过使阻尼器先于混凝土进入屈服,达到集中变形、耗散能量、控制损伤及震后... 详细信息

本文对带缝钢板阻尼器消能连梁进行了子结构试验研究,带缝钢板阻尼器通过预埋钢板与混凝土部分螺栓连接,与相同配筋的混凝土连梁相比,屈服强度为50%,刚度为80%,通过使阻尼器先于混凝土进入屈服,达到集中变形、耗散能量、控制损伤及震后快速恢复的目的。本文设计进行了1/3缩尺的连梁拟静力试验,相同加载工况下无控和有控试件的试验现象及力学性能对比表明,带缝钢板阻尼器消能连梁的刚度是混凝土连梁的80%,强度基本相同,混凝土部分破坏大幅削减,耗能明显提升。

关键词：消能连梁带缝钢板阻尼器高层建筑子结构试验损伤控制

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振动台子结构试验的数值仿真分析

振动台子结构试验的数值仿真分析

作者：杨现东哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

对于高大结构,由于比例尺过小,振动台试验不能很好地反映结构真实的抗震性能,解决这一问题有效途径是采用子结构试验方法提高试件的比例尺。本文研究振动台子结构试验的数值积分方法,并对其试验过程进行数值仿真分析。研究内容主要包括... 详细信息

对于高大结构,由于比例尺过小,振动台试验不能很好地反映结构真实的抗震性能,解决这一问题有效途径是采用子结构试验方法提高试件的比例尺。本文研究振动台子结构试验的数值积分方法,并对其试验过程进行数值仿真分析。研究内容主要包括:1.研究了中心差分法用于考虑试件质量的实时子结构试验的稳定性,结果表明含质量试验子结构中心差分法的稳定性比标准中心差分法的稳定性差。2.利用振动台试验系统模型对无阻尼试件的振动台子结构试验进行了数值仿真,研究了试件的质量和刚度对振动台子结构试验精度的影响。仿真结果表明,当试件的质量和刚度在允许值范围内,并且计算步长足够小时,振动台子结构试验都有着很好的精度,而且试验精度与外荷载无关。3.对有阻尼试件的振动台子结构试验进行了数值仿真分析,研究了试件阻尼对振动台子结构试验精度的影响。数值仿真结果表明,有阻尼动力子结构振动台试验比无阻尼动力子结构振动台试验有着更好的精度。

关键词：振动台子结构试验中心差分法稳定性数值仿真

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面向动力子结构试验的耦合积分方法研究

面向动力子结构试验的耦合积分方法研究

作者：卢鹏重庆大学

学位级别：硕士

子结构试验作为一种新兴的结构抗震试验方法自提出以来就得到快速发展。该方法把结构分为两部分:对相对重要或在动力荷载下表现出明显非线性或其他复杂物理特征的部分进行加载,称为试验子结构(Physical Substructure,PS);而其余部分则... 详细信息

子结构试验作为一种新兴的结构抗震试验方法自提出以来就得到快速发展。该方法把结构分为两部分:对相对重要或在动力荷载下表现出明显非线性或其他复杂物理特征的部分进行加载,称为试验子结构(Physical Substructure,PS);而其余部分则用计算机进行数值模拟,称为数值子结构(Numerical Substructure,NS)。采用子结构实验方法能够降低试验规模,有利于进行大比例或足尺试验,在真实模拟结构动力响应的条件下又能够节约大量试验费用。子结构试验是试验加载和数值计算的混合技术,其中数值计算的效率和稳定性是子结构试验的关键问题之一。耦合积分方法作为一种高效的积分方法,已被用于拟动力试验和多体动力学等方面,在子结构试验中也具有明显的优势。本文主要利用数学软件Mathematica编程针对子结构耦合积分方法进行系统的研究。在一种耦合积分方法(GC法)的基础上,结合算子分解法(OS法)、Chang法以及CR法,经过修改形成了几种新的耦合积分方法,并对其从稳定性、精度、数值阻尼比以及频率误差等数值特性方面进行了大量的分析与验证。最后基于Bouc-Wen模型和粘滞阻尼器理论对各耦合积分方法进行了数值模拟。分析结果表明耦合积分方法的稳定性、精度、数值耗散、频率失真率等数值特性除了受积分步长影响外,还与结构参数以及子步法直接相关。对于不同的参数,不同的耦合积分方法表现出不同的数值特性,具体为以下几个方面:(1)稳定性:(实时)GC-OS法在不同参数下均稳定,(实时)GC-Chang法和GC-CR法为条件稳定,且随着试验子结构刚度的增大,稳定界限降低。随着子步数的增大,稳定界限有所增大;(2)精度:(实时)GC-OS法在不采用子步法时具有二阶精度,采用子步法时为一阶精度。(实时)GC-Chang法和GC-CR法无论是否采用子步法,均为一阶精度,同时子步法的应用能够提高两者的计算精度;(3)数值阻尼比:在低频阶段(实时)GC-OS法对试验子结构刚度和子步数的变化不敏感,在高频阶段数值阻尼比随试验子结构刚度的增加而呈递增趋势。(实时)GC-Chang法数值阻尼比随着试验子结构刚度的增加而增大,随子步数的增大而降低。GC-CR法对试验子结构刚度以及子步法的采用最为敏感,随试验子结构刚度的增大或子步法的采用其数值阻尼比降低;(4)频率失真率:各耦合积分方法的频率误差均随采样频率增大而增大。(实时)GC-OS算法基本不受试验子结构刚度和子步数的影响。(实时)GC-Chang在试验子结构刚度较大时会引起较大的频率误差,但不受子步数的影响。GC-CR对试验子结构刚度的变化较为敏感,在高频阶段随试验子结构刚度的增大频率误差也呈现出增大的趋势;在进行基于Bouc-Wen滞回模型的位移相关型子结构耦合积分数值模拟时,GC-OS法、GC-Chang法以及GC-CR法三种算法表现出的性能相差不大,但采用子步法可以使得三者的计算结果吻合更好。在进行含有线性和非线性粘滞阻尼器的速度相关型子结构耦合积分数值模拟时,在不采用子步法时,GC-CR算法相对实时GC-OS法和实时GC-Chang法会引入较大的数值阻尼,随着计算的进行会出现响应幅值的衰减,在运用子步法后幅值衰减现象消失,三种算法计算精度相近。分析表明文中各耦合积分方法均能够较好地实现子结构间的耦合,且子步法的运用对于提高(实时)GC-Chang法及GC-CR法的稳定性和计算精度能够起到较好的效果。

关键词：子结构试验数值积分耦合积分 Bouc-Wen模型粘滞阻尼器

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基于神经网络模型更新的子结构试验方法

基于神经网络模型更新的子结构试验方法

作者：吕静东南大学

学位级别：硕士

子结构试验,又称为混合试验,是一种将真实物理加载试验和有限元数值模拟耦合计算的结构抗震试验方法,对于揭示大型复杂结构的抗震性能具有重要的应用前景。通常将结构中最先进入非线性的关键构件作为试验子结构进行物理试验,而剩余部分... 详细信息

子结构试验,又称为混合试验,是一种将真实物理加载试验和有限元数值模拟耦合计算的结构抗震试验方法,对于揭示大型复杂结构的抗震性能具有重要的应用前景。通常将结构中最先进入非线性的关键构件作为试验子结构进行物理试验,而剩余部分作为数值子结构,并采用假定的数值模型在计算机中进行模拟。但是对于可能进入非线性而无法进行试验的关键构件,其假定的数值模型可能存在较大模型误差:第一类误差源自数值模型过于简化导致的模型缺陷;第二类误差来自数值模型参数的不确定性。为了减小模型误差,模型更新思想被应用于混合试验中,利用试验子结构的实测数据在线识别其本构模型,并同步更新数值子结构中相应部分的模型。神经网络能够对无法用确定数值模型描述的系统进行辨识,避免数值模型缺陷引起的结构响应失真风险,有效地减少模型误差。基于此,本文提出了一种基于神经网络模型更新的子结构试验方法,主要研究内容和结论如下:(1)提出了基于神经网络模型更新的混合试验方法架构。从稳定性和自适应性两个方面进行了在线神经网络算法的鲁棒性控制研究:采用“离线训练+在线微调”的两阶段试验方法架构,即利用构件已有的试验数据离线训练神经网络模型,并将预训练好的神经网络模型作为数值子结构中相应构件的初始本构模型,再通过在线神经网络算法对不精确的神经网络模型进行在线微调,以保证在线识别系统的稳定性;每时步的在线训练样本采取“随机离线样本+带有遗忘因子的动态窗口样本”的组合方式,一部分样本从离线训练样本中随机选取,保证神经网络在旧任务中表现良好的能力;另一部分样本采用当前加载步试验子结构最近的批量样本,样本越新,给予的训练权重越大,提高在线识别系统的自适应性。总结了基于神经网络模型更新的混合试验方法架构与实现流程。以二自由度的非线性系统为例,在MATLAB中进行了相似加载路径下的模型更新混合试验数值验证。采用四组非线性程度不同的离线样本预训练神经网络模型。研究表明:在相似加载路径下,与传统混合试验和基于神经网络离线校正的混合试验相比,提出的基于神经网络模型更新的混合试验方法可以有效地降低预设的数值模型或预训练的神经网络模型与真实模型之间的不同程度的模型误差,具有较高的模型更新精度、鲁棒性和适用性。(2)搭建了基于神经网络模型更新的混合试验系统(MATLAB-Openfresco-MTS混合试验系统),阐述了网络试验平台Openfresco与MTS加载控制系统、MATLAB软件(有限元分析和神经网络模型更新计算)之间的通讯连接方法。以带屈曲约束支撑的六层框架结构为例,通过数值模拟验证了混合试验系统的有效性,同时进行了不同加载路径下的多种模型更新混合试验方法的数值仿真。试验子结构通过Openfresco内置的实验单元进行虚拟加载,且采用Bouc-Wen-Baber-Noori模型,以探讨在较大模型误差的情况下本文提出方法对强非线性模型的识别能力。研究表明:所搭建的混合试验系统是可行的、有效的。在模型误差较大的情况下,与传统混合试验、基于神经网络离线校正的混合试验、基于传统神经网络模型更新的混合试验、基于UKF模型更新的混合试验相比,提出的模型更新混合试验方法在不同加载路径下均可以大幅度地降低模型误差,能够学习到初始模型中不存在的滞回行为,对于强非线性模型具有良好的识别效果,在全时程和峰值响应处均具有较高的恢复力预测精度,具有良好的自适应性、精度和鲁棒性。另外,数值仿真的均步耗时在0.12s-0.15s范围内,提出的模型更新混合试验方法的计算效率满足慢速拟动力子结构试验的要求。(3)以带弯曲型阻尼器的两层两跨框架结构为例,设计了弯曲型阻尼器试验子结构,开展了基于神经网络模型更新的混合试验验证。试验研究表明:在相似加载路径下,与传统混合试验、基于神经网络离线校正的混合试验和基于UKF模型更新的混合试验相比,提出的基于神经网络模型更新的混合试验方法可以有效地减小预设的数值模型或预训练的神经网络模型与真实模型之间的模型误差,在全时程和峰值响应处均能够较好地预测恢复力,进一步提高了混合试验的精度。混合试验验证的均步耗时为0.13s,提出的基于神经网络模型更新的混合试验方法可以较好地适用于慢速拟动力子结构试验。

关键词：子结构试验在线模型更新神经网络鲁棒性控制 MATLAB-Openfresco-MTS

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拟动力和拟动力子结构试验的高阶单步算法

拟动力和拟动力子结构试验的高阶单步算法

作者：陶少华哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

拟动力实验(称计算机联机实验)是研究结构或构件抗震性能的一种实验技术,是目前运用最广泛的结构抗震试验之一。该方法吸收了拟静力试验和振动台试验两种试验方法的优点,将试验加载技术与计算机技术相结合起来。既克服了振动台试验中的... 详细信息

拟动力实验(称计算机联机实验)是研究结构或构件抗震性能的一种实验技术,是目前运用最广泛的结构抗震试验之一。该方法吸收了拟静力试验和振动台试验两种试验方法的优点,将试验加载技术与计算机技术相结合起来。既克服了振动台试验中的台面尺寸和台座承载能力限制的问题,又避免了计算机模拟中需要假设恢复力特性的问题,可慢速再现结构在地震作用下弹性→弹塑性→倒塌的全过程反应。拟动力试验的最新发展方向主要从数值积分算法、试验控制技术两个方面进行改进。本文主要从数值积分算法角度进行拟动力试验的改进,从而引进了高阶单步法。在现有的拟动力试验中,广泛采用中心差分法、PCM-Newmark法和隐式-α法等进行试验并取得良好的试验效果。而高阶单步法无条件稳定、无超越现象;当β=0.5时,该算法具有四阶精度(O( ))(位移、速度和加速度具有同阶精度)且无算法阻尼。与现有的其它常用逐步积分算法比较可知,该算法具有运算速度快、精度高和稳定性好等突出优点。本文把高阶单步法运用到拟动力试验以及拟动力子结构试验中,并进行拟动力试验和拟动力子结构试验的数值模拟分析。本文主要从事以下几个方面工作:(1)基于恢复力模型为双线性,进行高阶单步法单自由度和两自由度拟动力数值模拟试验。(2)基于恢复力模型为双线性,进行中心差分法单自由度和两自由度拟动力数值模拟试验。(3)基于恢复力模型为双线性进行高阶单步法拟动力子结构数值模拟试验。通过数值模拟算例分析,证明了高阶单步法作为一种精度高、无条件稳定的控制算法运用到拟动力试验是极其可行的,是可供拟动力试验使用的有效算法。

关键词：高阶单步法拟动力试验子结构试验数值模拟