一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法及系统，即基于单物理试件进行试验并预测多物理试件响应，适用于土木、机械、航空等领域大型复杂结构实验。该方法将试验研究对象中需要进行物理试验的所有构件或部件进行分类，将性能相同或相近程度很高的构件或部件作为一组，在每组构件或部件中选取一个作为物理子结构试件进行试验，该组中其他构件或部件的性能通过选定的物理子结构试验性能进行数学预测，从而提高结构试验效率和准确性。本发明的方法大大降低了实验设备及规模的要求，对大型复杂结构试验研究提供简便的试验思路及研究方法。
【专利说明】
一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法实现技术，属于结构实验技术领域。
【背景技术】
[0002]子结构实验技术将易于建模部分进行数值仿真，剩余部分进行物理试验，在不提高试验设备硬件能力的前提下可以完成更大尺寸的模型、甚至足尺试验，对于扩宽试验范围，降低试验成本有深远意义。目前在机械、航天及土木等领域得到广泛关注。在工程结构试验研究应用中，整个研究系统中难以建模的构件或部件往往不止一个，就需要多个物理子结构同时试验，这无疑需要更多的加载设备，在常规实验室中仍然难以实现。例如，以建筑结构试验研究为例，当框架结构存在多个阻尼器或支撑时，由于结构框架易于建模，因此将框架作为数值子结构，在计算机中进行模拟;将η个阻尼器或支撑作为η个物理子结构，并通过界面传输确保与原结构响应一致如图1所示。如此试验可以保证试验结构的准确性，但对于多、高层复杂结构，需要布置阻尼器或支撑的位置较多，将其除框架外全部分别作为物理子结构，需多个作动器及传感器等设备辅助，耗费大量时间及财力物力，且划分界面较多不利于整体计算及试验进行，操作中工作量庞大易于产生更大误差；同时由于阻尼器或支撑形式相同，自身动力特性相似，因此如何通过单个阻尼器或支撑的物理子结构试验把握其他所有同类构件或部件的性能，从而使得性能相同的构件或部件只需要一次物理试验，这对进一步降低试验成本、提高试验精度具有重要意义。
【发明内容】
[0003]土木工程中诸如高层、桥梁等大型复杂结构在进行子结构试验时，往往需要将多个结构部件或构件作为物理子结构，需要多个加载设备同时进行试验。但这些物理子结构的力学性能往往非常相似，比如高层结构中安装的同类阻尼器或支撑、桥梁结构中的隔震垫或桥墩等。本发明为了克服子结构试验实现中同时需要多个加载设备进行物理子结构试验的不足，提出了一种用于大型复杂结构试验的子结构试验方法实现技术。该方法将试验研究对象中需要进行物理试验的所有构件或部件进行分类，将力学性能相同或相近程度很高的构件或部件作为一组，在每组构件或部件中选取一个作为物理子结构试件进行试验，该组中其他构件或部件的性能通过选定的物理子结构试验性能进行数学预测，从而达到等效将该组构件或部件进行物理子结构试验的目的，以达到降低试验设备数量、减少数值、物理子结构界面的目的，从而提高结构试验效率和准确性。
[0004]为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案:
[0005]采用子结构试验方法进行大型复杂结构试验研究需要解决边界模拟和物理子结构试验两个关键问题。为了保证边界条件的准确模拟，在物理子结构划分时从受力相对简单的界面处分开;为了保证多个物理子结构试验的实验室实现，根据性能特点对物理子结构分类后，选取受力和变形最大的结构构件或部件进行实验室试验，同类构件或部件中剩余物理子结构的性能根据实验室试验结果进行估计，以达到一个物理试件代替一批物理试件的目的。
[0006]主要包括以下步骤:
[0007]步骤1、根据所研究结构自身力学特点将易于数学建模的部分作为数值子结构、剩余部分作为物理子结构，并根据构件类型、所用材料、构件尺寸等参数对所需进行物理子结构试验的构件或部件的滞回特性进行预估，根据滞回特性相似程度对物理子结构试验的构件或部件进行分类；
[0008]步骤2、根据基本力学原理或建立整体结构合适数学模型分析得到各类物理子结构试件中受力及变形最大的那一个，选定为进行实验室试验的构件；
[0009]步骤3、针对不同类型的物理子结构试件受力特点，建立可用于在线实时估计未进行试验的物理子结构试件本构模型的数值预测算法(例如常用的向前、向后插值法)，以便根据数值子结构模型计算位移得到各个不同物理子结构反作用于数值子结构的界面力；
[0010]步骤4、结合物理子结构本构模型估计方法的特性建立补偿加载设备、传感器及真实试验试件动力特性影响的控制方法；
[0011]步骤5、根据传感器、加载设备、及算法计算效率的要求选取合适的硬件和软件设备，实现上述试验。
[0012]所述步骤I具体为:(I)将研究对象进行初步力学分析，确定哪些部分易于建立数学模型，哪些部分难以建立数学模型；(2)将易于建立数学模型部分建立数学方程描述其特性；(3)将难以建立数学模型的部分确定为物理子结构，而后根据构件或部件种类、材料、截面或长度尺寸等因素将物理子结构分类；
[0013]所述步骤2具体为:将所需研究的结构进行初步力学分析，从步骤I中分类所得每类物理子结构中确定受力和变形最大的一个，选定为试验试件进行实验室物理试验。如果简单力学分析无法确定每类物理子结构试件中哪个构件或部件受力和变形最大，则需通过建立简化有限元模型进行初步数值预测，以确定最合适的物理试验试件；
[0014]所述步骤3具体为:根据步骤2中选定的物理试验试件归纳总结不同类型物理子结构的力学特点，建立物理子结构本构模型搜索算法，采用该搜索方法从实验室物理试件试验响应中获取未试验的试件响应，通过计算该部位位移，在试验所得曲线上找到对应的界面力并施加于数值子结构对应位置；
[0015]所述步骤4具体为:综合考虑加载设备、数值积分算法、物理子结构和步骤3中搜索算法等因素的影响，建立在线前馈逆补偿控制方法；
[0016]所述步骤5具体为:根据步骤1-4中确定的研究内容考虑物理子结构规模选择包括传感器量程，加载设备种类等，以及根据数值子结构形式复杂程度考虑所需进行软件分析的程序，实现试验。
[0017]与原有大型复杂结构试验的子结构试验方法相比，本发明的优点如下:
[0018](I)减小了需要进行实验室试验的试验试件数量，大大降低试验成本、试验所需时间、人力物力，提高试验的可行性，同时使得同等试验条件下不能进行的大型试验变为可會K;
[0019](2)操作简便，避免于试验复杂的操作过程所产生的误差，减小数值子结构与物理子结构之间的界面连接，使试验更易实现。
[0020](3)可更为直接的进行大型复杂结构多物理子结构试验，不必拘泥于场地及设备的限制，及实验设备的要求，更大程度拓宽试验范围。
【附图说明】
[0021]图1现有动力子结构实验实现原理(以装有阻尼器的框架结构为例)；
[0022]图2本发明方法实现流程图；
[0023]图3本发明中动力子结构实验实现原理(以装有阻尼器的框架结构为例)。
【具体实施方式】
[0024]本发明的技术方案参见图2所示，以如图1所示装有阻尼器或支撑的高层结构抗震试验为例，结合相关附图，下面详细介绍本发明的实施步骤。为了控制高层结构的位移响应，通常在结构中配置阻尼器或支撑，因此该试验系统主要由梁、柱及阻尼器或支撑组成。梁柱间通常为固端链接，阻尼器或支撑为单向受力杆件，为了保证其力学性能充分发挥，与梁柱间通常采用铰接形式连接。如此一来，梁柱组成的结构体系力学性能比较清楚，相比于支撑或阻尼器更容易建立数学模型。因此，将支撑或阻尼器作为物理子结构，梁柱组成的结构体系作为数值子结构。利用本发明实现该实验的具体实施步骤如下:
[0025](I)数值模型建立，物理子结构选取。在计算机中通过软件建立除阻尼器及支撑外的结构模型；物理模型应选取一个结构中阻尼器或支撑，该阻尼器或支撑选取应具有代表性，而不应为个例，例如若结构有多种形式或尺寸的阻尼器或支撑则需分别选取作为物理子结构进行考虑。如图3所示，四层框架由于阻尼器种类及尺寸相同，因此选取一层阻尼器作为物理子结构进行计算。
[0026](2)建模分析选受力位移最大处的物理子结构。由于只进行一个物理子结构的试验，且阻尼器或支撑自身力学性能相似，因此可以通过试验单个阻尼器或支撑推测其余阻尼器在结构中的响应，计算含有阻尼器或支撑处楼层的层间位移值，根据实验所得滞回曲线，找到对应的力，并加于结构。但如果选取的阻尼器受力较小，则其他阻尼器力位移无法包括在内，因此需选择受力最大处的阻尼器作为物理子结构，此处受力和变形最大的为第一层对应阻尼器，将其选为物理试件。
[0027](3)数值分析算法建立。在已有物理子结构试验结果的基础上，需建立相应的数值分析算法，以用于联系各阻尼器之间不同本构关系，将其统一并用实验所得滞回曲线上的点表示受力情况。
[0028](4)动力特性控制方法。无论作动器还是振动台，自身动力特性复杂，实时动力子结构试验中反馈环节会放大误差，因此需要考虑控制算法平衡减小误差。
[0029](5)实验软硬件结合实现。整个试验实现主要包括数值模型求解、数据传输、控制器及试验设备等方面。选取相应的接口和试验硬件和数值子结构求解、控制器运行等软件进行连接，例如，数值子结构求解和控制器是通过SMULINK软件实现，这可选择研华PCI板卡或DSpace系统实现软硬件的兼容连接，成功实现。
[0030]最后应说明的是:以上
【发明内容】
仅用以说明本发明，而并非限制本发明所描述的技术方案;本发明并非只适用于考虑阻尼器及支撑效果的实时动力子结构实验，其他领域相关大型复杂结构试验的子结构试验技术均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于:该方法主要包括以下步骤: 步骤1、根据所研究结构自身力学特点将易于数学建模的部分作为数值子结构、剩余部分作为物理子结构，并根据构件类型、所用材料、构件尺寸等参数对所需进行物理子结构试验的构件或部件的滞回特性进行预估，根据滞回特性相似程度对物理子结构试验的构件或部件进行分类； 步骤2、根据基本力学原理或建立整体结构合适数学模型分析得到各类物理子结构试件中受力及变形最大的那一个，选定为进行实验室试验的构件； 步骤3、针对不同类型的物理子结构试件受力特点，建立可用于在线实时估计未进行试验的物理子结构试件本构模型的数值预测算法(例如常用的向前、向后插值法)，以便根据数值子结构模型计算位移得到各个不同物理子结构反作用于数值子结构的界面力； 步骤4、结合物理子结构本构模型估计方法的特性建立补偿加载设备、传感器及真实试验试件动力特性影响的控制方法； 步骤5、根据传感器、加载设备、及算法计算效率的要求选取合适的硬件和软件设备，实现上述试验。2.根据权利要求1所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于: 所述步骤I具体为:(I)将研究对象进行初步力学分析，确定哪些部分易于建立数学模型，哪些部分难以建立数学模型；(2)将易于建立数学模型部分建立数学方程描述其特性；(3)将难以建立数学模型的部分确定为物理子结构，而后根据构件或部件种类、材料、截面或长度尺寸等因素将物理子结构分类。3.根据权利要求1所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于: 所述步骤2具体为:将所需研究的结构进行初步力学分析，从步骤I中分类所得每类物理子结构中确定受力和变形最大的一个，选定为试验试件进行实验室物理试验;如果简单力学分析无法确定每类物理子结构试件中哪个构件或部件受力和变形最大，则需通过建立简化有限元模型进行初步数值预测，以确定最合适的物理试验试件。4.根据权利要求1所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于: 所述步骤3具体为:根据步骤2中选定的物理试验试件归纳总结不同类型物理子结构的力学特点，建立物理子结构本构模型搜索算法，采用该搜索方法从实验室物理试件试验响应中获取未试验的试件响应，通过计算该部位位移，在试验所得曲线上找到对应的界面力并施加于数值子结构对应位置。5.根据权利要求1所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于: 所述步骤4具体为:综合考虑加载设备、数值积分算法、物理子结构和步骤3中搜索算法等因素的影响，建立在线前馈逆补偿控制方法。6.根据权利要求1所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验方法，其特征在于: 所述步骤5具体为:根据步骤1-4中确定的研究内容考虑物理子结构规模选择包括传感器量程，加载设备种类，以及根据数值子结构形式复杂程度考虑所需进行软件分析的程序，实现试验。7.—种用于大型复杂结构试验研究的试验系统，其特征在于:装有阻尼器或支撑的高层结构抗震试验系统，为了控制高层结构的位移响应，通常在结构中配置阻尼器或支撑，因此该试验系统主要由梁、柱及阻尼器或支撑组成;梁柱间通常为固端链接，阻尼器或支撑为单向受力杆件，为了保证其力学性能充分发挥，与梁柱间通常采用铰接形式连接；如此一来，梁柱组成的结构体系力学性能比较清楚，相比于支撑或阻尼器更容易建立数学模型；因此，将支撑或阻尼器作为物理子结构，梁柱组成的结构体系作为数值子结构。8.根据权利要求7所述的一种用于大型复杂结构试验研究的试验系统，其特征在于:系统的具体实施步骤如下， (1)数值模型建立，物理子结构选取;在计算机中通过软件建立除阻尼器及支撑外的结构模型;物理模型应选取一个结构中阻尼器或支撑，该阻尼器或支撑选取应具有代表性，而不应为个例，若结构有多种形式或尺寸的阻尼器或支撑则需分别选取作为物理子结构进行考虑；四层框架由于阻尼器种类及尺寸相同，因此选取一层阻尼器作为物理子结构进行计算； (2)建模分析选受力位移最大处的物理子结构；由于只进行一个物理子结构的试验，且阻尼器或支撑自身力学性能相似，因此可以通过试验单个阻尼器或支撑推测其余阻尼器在结构中的响应，计算含有阻尼器或支撑处楼层的层间位移值，根据实验所得滞回曲线，找到对应的力，并加于结构；但如果选取的阻尼器受力较小，则其他阻尼器力位移无法包括在内，因此需选择受力最大处的阻尼器作为物理子结构，此处受力和变形最大的为第一层对应阻尼器，将其选为物理试件； (3)数值分析算法建立;在已有物理子结构试验结果的基础上，需建立相应的数值分析算法，以用于联系各阻尼器之间不同本构关系，将其统一并用实验所得滞回曲线上的点表示受力情况； (4)动力特性控制方法;无论作动器还是振动台，自身动力特性复杂，实时动力子结构试验中反馈环节会放大误差，因此需要考虑控制算法平衡减小误差； (5)实验软硬件结合实现;整个试验实现主要包括数值模型求解、数据传输、控制器及试验设备等方面;选取相应的接口和试验硬件和数值子结构求解、控制器运行等软件进行连接，数值子结构求解和控制器是通过SmULINK软件实现，这可选择研华PCI板卡或DSpace系统实现软硬件的兼容连接，成功实现。
【文档编号】G01M99/00GK106017953SQ201610231829
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】唐贞云, 郭珺, 崔瑶, 李振宝
【申请人】北京工业大学