考虑非完整边界条件的新型混合试验方法

发布时间：2020-10-10 00:25

　　 混合试验是在线结合实验室物理加载与计算机数值模拟从而评估结构性能的新型抗震试验方法。通常来讲,混合试验将待评估结构中的关键部位作为物理子结构在实验室中进行加载,而剩余部分则作为数值子结构在计算机中模拟。如此以来,在很大程度上节省实验室资源,从而能够开展大比例尺甚至足尺结构的性能评估。然而,当物理子结构边界自由度较多时,受加载设备、试验场地以及试验经费等多方面的限制,其边界条件往往难以完全实现;而边界条件的缺失势必改变结构的受力状态,影响结构性能评估的准确性。如何在现有条件下,通过不完整边界条件的混合试验获取高精度混合模拟结果,并合理判断结构抗震性能,成为抗震试验研究的新挑战。本文称无法完全实现的物理子结构边界条件的现实为不完整边界条件问题。为了解决该问题,本文提出了一种新型混合试验方法——基于模型更新的在线数值模拟方法,并针对该方法的部分关键科学问题开展了研究。主要研究内容如下:1.针对模型更新混合试验的核心问题,提出基于梯度的材料本构模型参数估计方法;基于李雅普诺夫稳定理论,证明卡尔曼滤波器在用于参数估计时的收敛性,研究扩展的卡尔曼滤波器的收敛条件。阐述卡尔曼滤波器与加权递推最小二乘法的关系,给出卡尔曼滤波器参数取值建议。分析表明,隐性卡尔曼滤波器本质上是随机最小二乘法,它是一种高精度的次优估计器;以任意非线性标量系统为例分析了比例对称采样的精度,得到了达到四阶精度时采样参数需要满足的条件。数值算例表明,隐性卡尔曼滤波器具有较快的收敛速度和较强的鲁棒性。2.提出基于模型更新的在线数值模拟方法。新方法中结构反应由整体结构数值模型计算得到,边界条件自然得到满足;物理子结构的恢复力不再返回到时间积分模块参与运动方程的求解,而是返回到参数估计模块用于数值模型本构参数在线估计。基于TCP/IP网络传输协议,在不更改有限元软件Open Sees框架的前提下实现了MATLAB和Open Sees的通讯;通过修改Open Sees源代码,实现了混合试验的力-位移同步加载模拟。研究结果表明,在线数值模拟方法能够获得较高的模拟精度且具有较强的鲁棒性;单方面的本构模型参数更新并不一定能够改善混合试验的模拟精度;新方法可以弥补本构模型不准确以及对本构模型认识不足带来的不利影响。3.搭建了基于Open Sees-MATLAB-Hy Test Connector-MTS的三环混合试验架构,并以钢筋混凝土框架结构为例,完成了在线数值模拟方法的试验验证。研究结果表明,在线数值模拟方法对边界条件具有较强的鲁棒性,可以获取高精度混合试验模拟结果,从而为评估结构的抗震性能提供支持和依据;与数值模拟类似,参数估计在初期表现出明显的波动,随后快速收敛至稳态值;受模型误差的影响,在线估计得到的参数收敛值表现出地震动峰值加速度相关性;物理子结构竖向力边界的波动对最终的参数估计结果影响较小。4.以短肢剪力墙结构和防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构为例,探讨了在线数值模拟方法在大型建筑结构抗震试验中的适用性;研究了采用欧拉梁模拟剪力墙的适用条件;提出了三段式防屈曲支撑建模方法;探讨了多本构模型参数估计方法的可行性以及观测量个数对参数估计的影响。研究结果表明,在线数值模拟方法适用于复杂建筑结构抗震试验;在高维参数估计时,隐性卡尔曼滤波器依然具有较高的精度和较快的收敛速度;对处于静定或超静定状态的土木工程结构来讲,单观测量模式足以保证参数估计的准确性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU352.11
【部分图文】：

中间环为有效位移控制回路，由 HyTest Connector 完成。HyTest Connec MTS VB COM 程序库，采用 VB 语言开发的一款软件，能够实现与 M统的通讯和控制功能。HyTest Connector 在 Microsoft Windows 操作系统现，避免引入实时运算平台，具有便捷、经济的优点。HyTest Connector移（协调器发送）为控制目标、以外接位移计为位移反馈，采用 PI 控制作动筒命令位移，并以斜坡-保持方式将其发送给内环，即电液伺服加载系est Connector 在 MTS 控制器所在计算机上运行，不需安装，直接读取电统位移传感器和数据采集卡上的信号。外环为数值积分算法环路，它的主要功能是求解结构运动方程获取结构新结构状态（本文由有限元软件 OpenSees 完成）。为保证混合试验顺利开协调器在单独的计算机上，以避免程序崩溃而使试验控制系统不可控，台计算机完成混合试验。两台计算机采用网线连接。用于模型更新混合线数值模拟的参数估计程序采用 MATLAB 语言编写，该程序位于外环控制系统具体的实物连接见图 4-4。

裂缝均出现在地震动峰值加速度为 125gal 时。为此，在线数值模拟方法在地震动峰值加速度较大时，即结构产生肉眼可见的裂缝后，具有较好的效果。35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal04080120160200工况MRSE%()ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Oa) 整体误差35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal0306090120150180工况RE(%)ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Ob) 最大相对误差图 4-10 混合试验位移误差直方图Fig. 4-10 Displacement error histograms for hybrid simulations

【参考文献】

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本文编号：2834442