[發明專利]一種用于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗方法

有效

• 申請號: 201811422039.7
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109359427B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 郭彤;陳夢暉;徐偉杰;黃亮
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F30/13
• 分類號: G06F30/13;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

一種用于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗方法，把結構劃分為數值與試驗子結構，數值子結構的計算分為單元力計算和運動方程求解兩部分先后進行，試驗子結構用多作動器同時加載；對每臺作動器進行位移解耦，抵消多作動器對同一點加載時存在位移耦合效應，再進行時滯位移補償；通過對計算步長下的指令位移按照采樣頻率進行內插值，對作動器測量力信號按照計算步長抽取，使計算機與作動器信號頻率保持一致；根據較少的作動器測量力和試件估計來補充計算滿足交界處力平衡條件所需的反饋力；最后啟動試驗完成整個流程，根據計算到的誤差指標評價試驗效果。

技術領域

本發明涉及一種用于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗方法，具體涉及一種針對空間結構多作動器實時混合模擬試驗中關鍵問題的解決方法。

背景技術

傳統的結構抗震試驗方法包括擬靜力試驗、擬動力試驗和振動臺試驗。擬靜力試驗經濟實用，卻不能完全反映結構的動力特性。擬動力試驗采用數值模擬與試驗結合，仍屬于靜力試驗的范疇，不能反映試件的速度相關性。振動臺試驗準確性高，但造價高昂且受承載力限制和尺寸效應的影響。

實時混合模擬試驗，是在擬動力試驗的基礎上發展出的一種新的試驗方法，也稱為實時子結構擬動力試驗。該方法繼承了子結構擬動力試驗的思路，試驗中結構被分為試驗子結構和數值子結構兩部分，區別在于采用動態加載器代替靜態加載器，按照實際的速率對試驗子結構進行快速加載。實時混合模擬試驗綜合了擬動力試驗和振動臺試驗的優點，既可以對局部構件進行足尺或大比例尺試驗，以反映復雜構件的速度相關性，又能夠使結構在實際地震下的動力行為得到準確的再現，同時試驗的成本較地震模擬振動臺試驗大大降低。

傳統的用于平面結構的單作動器實時混合模擬試驗存在的問題主要包括時滯補償、積分算法和評價指標的選擇。對于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗，除了傳統試驗方法存在的問題外，還需要考慮計算機與作動器信號頻率不一致、交界處情況更復雜和多作動器位移耦合的關鍵問題。

在空間結構的多作動器實時混合模擬試驗中，由于空間結構自由度數較多，需要增大步長以保證足夠的計算時間，導致計算機與作動器采樣頻率不一致。數值/試驗子結構交界處情況也更加復雜，由于作動器數量有限，得到的測量信號較少，測量信號通常不夠滿足交界處的力平衡條件。多作動器加載同一點時位移存在耦合效應，會使實際位移與目標位移產生偏差，導致加載不準確。

發明內容

技術問題：本發明提供了一種能考慮多向地震對空間結構的影響及扭轉效應，處理復雜的數值/試驗子結構邊界，將數值子結構計算、補償、評價和數據交互等運行在同一平臺下，使試驗流程更加快速完整的用于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗方法。

技術方案：本發明的用于空間結構的多作動器實時混合模擬試驗方法，包括以下步驟：

第一步：將研究對象分為數值子結構與試驗子結構，根據交界處位移協調和力平衡條件，建立數值子結構的空間有限元模型，設計試件與加載方案；

第二步：根據所述空間有限元模型建立在地震激勵下的結構動力學運動方程，選取計算步長將運動方程離散化成N個時步，第一個時步開始令n＝1，n為當前所處時步編號；

第三步：根據初始條件或上一時步的加速度、速度和位移計算當前時步的速度和位移，并以計算得到的位移中的數值子結構與試驗子結構交界處的位移作為指令位移；

第四步：對每臺作動器的指令位移先進行解耦修正，再進行補償修正；

第五步：對補償修正后的指令位移進行插值，同時對作動器測量力進行抽樣；

第六步：根據抽樣的作動器測量力計算滿足交界處力平衡條件的反饋力，將反饋力代回所述離散化的地震激勵下的結構動力學運動方程，計算當前時步的加速度，若n＜N，則令n＝n+1并回到第三步；若n＝N，則將各時步計算的位移、速度和加速度按時步編號排列后作為結構在地震作用下的響應。