一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法与流程

本发明涉及一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法，属于土木工程、交通、机械、桥梁与航天等技术领域。

背景技术：

传统的结构抗震试验方法主要包含拟静力试验方法、拟动力试验方法和振动台试验方法。拟静力试验方法也称为往复循环试验方法，是采用一定的荷载控制或变形控制对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验方法。其优点是操作简单、经济实用，但不能反映地震作用对结构的影响。拟动力试验又称联机试验，将模拟计算机与作动器联机求解结构动力方程。其优点是可以进行大比例尺模型结构的抗震试验，但是很难反应试件的速度和加速度特性。振动台试验是一种能真实再现地震作用和结构反应的试验方法，但是受振动台台面尺寸和承载力的限制，对于大型复杂结构只能进行小比例尺的模型试验，很难完全反应原型结构的性能。

实时混合试验是一种新型抗震试验方法。在实时混合试验中，原结构被分为数值子结构和试验子结构两部分，一般对于非线性较强或不确定性集中的部分进行大比例尺甚至足尺模型的混合试验，其余部分作为数值子结构。实时混合试验区别于拟动力试验，要求数值子结构的实时计算和试验子结构的实时加载。在大型复杂的混合试验中，由于数值模拟和边界条件的复杂性，很难保证计算实时和加载实时。具体而言，在常规混合试验方法的一个时间步长内，复杂的数值子结构计算时间过长，无法及时将命令信号传递给加载系统，即无法实现实时计算。类似地，复杂的试验子结构往往需要复杂的加载设备(如振动台)保证子结构间的边界条件，常常难以保证加载精度，即无法实现实时加载。采用时程级迭代混合试验方法，可以有效解决数值子结构的实时计算和试验子结构的实施加载问题。在时程级迭代实时混合试验的早期，由于试件的命令大多偏离真实解，其反力也有较大误差，导致下一步迭代响应结果仍然不理想，即收敛效率较低。针对上述问题，本专利提出一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法。

本发明提出的试验方法，不仅仅可以应用于结构抗震试验。本方法要求试验子结构可多次测试，只要是满足该条件的振动过程，均有可能采用该方法开展试验测试，如土木领域的粘滞阻尼、磁流变阻尼振动控制问题、交通领域的车-桥耦合振动问题、航天领域的飞行器交会对接问题等。

技术实现要素：

本发明为了解决现有试验方法存在误差大、收敛效率低的问题，提出了一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法。所述基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法，将研究对象分为数值子结构和试验子结构两部分。试验子结构采用高性能电液伺服加载系统完成加载。本发明的关键技术在于：为了保证混合试验结果的可靠性，将常规混合试验方法中的积分步长级别的计算和加载变换成时程级别。通过模型更新，来解决常规时程级迭代实时混合试验方法早期收敛效率低的问题。即通过数值子结构计算得出命令时程，传递给加载系统进行全时程加载，采用测得的恢复力时程更新试验子结构模型。本发明方法将试验过程分为两个阶段，在第一阶段试验过程中，采用试验数据更新试件模型，将更新后的模型与数值子结构相结合，计算下一轮迭代的命令，从而大幅提高迭代收敛效率。在第二阶段试验过程中，不进行试验子结构模型更新，以消除模型识别更新带来的误差，保证迭代收敛精度。

本发明针对复杂的数值模拟计算和边界条件，提出了一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法。所述方法将试验分为两个阶段，第一阶段为基于模型更新的时程级迭代混合试验方法，第二阶段为常规时程级迭代混合试验方法。具体包含以下步骤：

一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法，所述迭代混合试验方法包括两个阶段，第一个阶段为：采用试验数据更新试件模型，将更新后的模型与数值子结构相结合，计算下一轮迭代的命令，从而大幅提高迭代收敛效率；第二个阶段为：时程级迭代混合试验方法，将测得的恢复力时程反馈给数值子结构，并且不进行试验子结构模型更新，以消除模型识别更新带来的误差，保证迭代收敛精度。

进一步地，所述迭代混合试验方法的具体过程包括：

第一个阶段：

步骤一、分别建立数值子结构和试验子结构的运动学方程；

步骤二、将数值子结构与试验子结构模型相结合，开展数值模拟计算，获得试验子结构的命令时程；

步骤三、将步骤二计算获得的命令时程传递给加载系统，对试验子结构进行全时程加载；若有必要，可多轮迭代加载，以实现更高的加载精度；加载过程中测得试验子结构的恢复力时程；

步骤四、利用步骤三测得的试验子结构的恢复力时程更新试验子结构模型，完成本轮迭代，本步骤是对试验子结构进行了模型更新；

步骤五、将本轮迭代后的恢复力时程与上一轮迭代的恢复力时程进行比较，若误差达到精度标准，则结束本阶段试验；若误差未达到精度标准，则返回到步骤二，重复步骤二至步骤四的过程，进行下一轮迭代，直至误差达到精度标准，当误差达到精度标准时，第一个阶段的试验结束；

第二个阶段：

步骤六、将满足误差标准时的恢复力时程反馈给数值子结构，开展数值模拟计算，获得试验子结构的命令时程；

步骤七、将步骤六获得的命令时程传递给加载系统，对试验子结构进行全时程加载；若有必要，可多轮迭代加载，以实现更高的加载精度；加载过程中测得试验子结构的恢复力时程；

步骤八、将步骤七测得的试验子结构的恢复力时程与上一轮迭代的恢复力时程进行比较，若误差达到精度标准，结束试验；若误差未达到精度标准，返回到步骤六，并重复步骤六至步骤七，进行下一轮迭代，直至力时程误差达到精度标准，结束试验。

进一步地，步骤二和步骤六所述数值模拟计算的输出为命令全时程，非一个积分步长后的响应。

进一步地，步骤三和步骤七所述测得试验子结构的恢复力全时程是指从零时刻至本轮加载结束的恢复力时程响应，并非该采样步的力响应。

进一步地，步骤四中将更新后的试验子结构模型与数值子结构相结合，计算整体结构的命令时程。

本发明有益效果：

本发明提出的一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法，其数值子结构的计算输出为命令全时程，非一个积分步长后的位移。试验子结构测得为试验子结构的恢复力全时程，非该采样步的力响应；在第一阶段试验中，采用试验数据进行试验子结构模型更新，从而大幅提高迭代收敛效率；在第二阶段试验中，将测得的力时程反馈给数值子结构，不对试验子结构进行模型更新，以消除模型识别误差的影响，保证迭代收敛精度。

附图说明

图1为磁悬浮列车-桥梁整体研究对象模型简图；

图2为混合试验中子结构的受力示意图；

图3为基于模型更新的时程级迭代实时混合试验基本原理图(以车桥耦合实时混合试验为例)；

图4为基于模型更新的时程级迭代实时混合试验流程图(以车桥耦合实时混合试验为例)；

图5为基于模型更新的时程级迭代实时混合试验基本原理图(以磁流变阻尼器实时混合试验为例)；

图6为基于模型更新的时程级迭代实时混合试验流程图(以磁流变阻尼器实时混合试验为例)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

以磁悬浮列车-桥梁耦合实时混合试验为例，阐述本发明方法的基本原理和使用步骤。为了进行磁悬浮列车的悬浮控制系统设计、轨道梁选型和桥梁设计提供试验数据支持，需要对列车-桥耦合振动试验，尤其是列车经过多跨桥时的耦合振动试验。由于桥梁结构试件体积太大，不可能搭建真实的桥梁试件。唯一的解决方案就是采用实时混合试验方法，研究列车-桥耦合振动。

磁悬浮列车-桥梁耦合实时混合试验的难点之一，就是如何准确、可靠复现列车过桥墩时的冲击现象。考虑到准确复现桥梁和列车在桥墩处的相互作用，需采用非常小的采样步长；而采用过小的采样步长，无法保证桥梁及数值车厢的实时计算和试验车厢的实时加载；基于时程级迭代的实时混合试验，由于计算误差的存在，早期收敛效率较低。导致实测试验子结构反力信号严重失真，无法开展常规实时混合试验。

下面结合附图对本发明进行详细说明。原型车桥简图如图1所示。取其中一节车厢进行试验加载，其余车厢以及桥梁进行数值模拟，试验过程中在线交互数据，进行实时混合试验，各子结构的受力示意图如图2所示。试验加载中利用振动台阵(8套三向六自由度振动台)模拟桥梁挠度及桥梁冲击对列车的作用，利用2套车端关系模拟系统(1台反力支架及1台水平作动器)模拟数值车厢对试验车厢的约束力。运用本发明进行车桥耦合实时混合试验的基本原理如图3所示，试验流程如图4所示。具体流程如下：

第一阶段：

步骤一、分别建立桥梁、数值车厢和试验车厢的动力学方程；

步骤二、将试验子结构模型和数值子结构相结合，计算桥梁从初始时刻到最终时刻的挠度和速度时程。进行悬浮控制，获得数值车厢的悬浮力时程及数值子结构对试验子结构的牵引力时程；

步骤三、将步骤二计算得到的桥梁挠度时程和速度时程、悬浮力和牵引力时程，传递给台阵振动控制系统和车端关系模拟系统，复现车厢实际的全时程振动。若满足加载精度，进入下一步。若不满足加载精度，进行迭代加载，直至加载结束；

步骤四、测得试验车厢的悬浮力时程及试验子结构对数值子结构的牵引力时程，用所述测得时程更新试验子结构模型；

步骤五、将测得的试验子结构的力时程与上一轮力时程进行比较，若误差满足精度标准，结束第一阶段试验；若误差不满足精度标准，重复步骤二至步骤五迭代过程，直至第一阶段试验结束。

第二阶段：

步骤六、将测得的试验子结构力时程反馈给数值子结构，计算桥梁挠度和速度时程。进行悬浮控制，获得数值车厢的悬浮力时程及数值子结构对试验子结构的牵引力时程；

步骤七、将步骤六计算得到的桥梁挠度时程和速度时程、悬浮力和牵引力时程，传递给台阵振动控制系统和车端关系模拟系统，复现车厢实际的全时程振动。若满足加载精度，进入下一步。若不满足加载精度，进行迭代加载，直至加载结束；测得试验车厢的悬浮力时程及试验子结构对数值子结构的牵引力时程；

步骤八、将测得的试验子结构的力时程与上一轮力时程进行比较，若误差满足精度标准，试验结束；若误差不满足精度标准，重复步骤七至步骤八，直至试验结束。

实施例2

下面以磁流变阻尼器实时混合试验对本发明进行详细说明。磁流变阻尼器是一种智能减振器，具有出力大、能耗小、响应迅速和性能连续可调等优点,且可进行多次测试试件，在车辆、机械、建筑及医疗等领域均有广泛应用。在实时混合试验中，一般将磁流变阻尼器作为试验子结构，用作动器进行加载，将结构的其他部分作为数值子结构。由此，可以实现大比例尺甚至足尺试验，得到更准确有效的试验结果。磁流变阻尼器实时混合试验的难点在于，由于数值子结构和边界条件的复杂性，无法实现数值子结构的实时计算和试验子结构的实时加载；采用基于时程级迭代的实时混合试验方法，受计算误差影响较大，导致迭代收敛效率低。

下面结合附图对本发明进行详细说明，如图5为磁流变阻尼器实时混合试验原理示意图，整体结构为三层框架，其中安装有磁流变阻尼器，其余结构为数值子结构。试验子结构由电液伺服作动器进行加载。图6为磁流变阻尼器实时混合试验流程图。具体流程如下：

第一阶段：

步骤一、分别建立数值子结构和试验子结构的动力学方程；

步骤二、将试验子结构模型与数值子结构相结合，开展数值模拟，计算外部激励作用下试验子结构的位移命令时程；

步骤三、将命令位移时程传递给试验加载系统，用作动器对磁流变阻尼器进行全时程的位移加载。若满足加载精度，进入下一步；若不满足加载精度，进行迭代加载，直至加载结束；

步骤四、测得试验子结构的反力时程，采用该时程进行试验子结构模型更新；

步骤五、上一轮迭代测得的反力时程进行比较，若误差满足精度标准，结束第一阶段试验。若误差不满足精度标准，重复步骤步骤二至步骤五迭代过程，直至第一阶段试验结束；

第二阶段：

步骤六、将试验子结构的力时程反馈给数值子结构，计算试验子结构的位移命令时程；

步骤七、将命令位移时程传递给试验加载系统，用作动器对磁流变阻尼器进行全时程的位移加载。若满足加载精度，进入下一步。若不满足加载精度，进行迭代加载，直至加载结束；测得试验子结构的反力时程；

步骤八，与上一轮迭代测得的反力时程进行比较，若误差满足精度标准，试验结束；若误差不满足精度标准，重复步骤七至步骤八，直至试验结束。

本发明提出的一种基于模型更新的时程级迭代实时混合试验方法，其数值子结构的计算输出为命令全时程，非一个积分步长后的位移。试验子结构测得为试验子结构的恢复力全时程，非该采样步的力响应；在第一阶段试验中，采用试验数据进行试验子结构模型更新，从而大幅提高迭代收敛效率；在第二阶段试验中，将测得的力时程反馈给数值子结构，不对试验子结构进行模型更新，以消除模型识别误差的影响，保证迭代收敛精度。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。同时，需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施方式，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。