CN109766668A - 一种基于重启动的实时混合试验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于重启动的实时混合试验方法，涉及实时混合试验技术，为了解决数值模拟部分在既定积分时间间隔内无法完成计算导致混合试验无法开展的问题。本发明为在每一时间积分步内，试验加载系统恢复到起始状态，再加载从初始时刻到当前时刻的所有加载目标。本发明的试验数据准确、可靠。本发明适用于土木领域、交通领域、桥梁领域、航天领域和机械领域等。

Description

一种基于重启动的实时混合试验方法

技术领域

本发明涉及实时混合试验技术，具体涉及基于重启动的实时混合试验技术。

背景技术

混合试验是开展结构振动或动力性能研究的经济、高效方法，尤其实时混合试验方法对于大型复杂结构的复杂动力问题更是最有效的研究手段。实时混合试验方法将整体研究对象分成数值模拟部分和试验加载(试件)部分，两部分采用相同的时间步长并联机同步实时耦合完成整体研究对象的动力分析或性能评估。现有技术中为了保证两部分在线实时耦合，试验加载部分采用电液伺服加载系统完成实时加载以提高加载精度，数值模拟部分采用简化模型以节省计算时间。然而，数值模型简化会直接影响试验精度，甚至导致试验失败。数值模拟部分选用有限元代替简化模型，无疑会提高试验精度。然而遇到的关键问题是，有限元模拟计算时间较长，难以保证与试验对象的加载控制部分实时同步开展，进而无法开展实时混合试验。即使采用简化模型进行计算，也存在既定时间步长内不能完成计算的情况。

发明内容

本发明是为了解决数值模拟部分在既定积分时间间隔内无法完成计算导致混合试验无法开展的问题，本发明提供了一种基于重启动的实时混合试验方法。

一种基于重启动的实时混合试验方法，该方法为：

在每一时间积分步内，试验加载系统恢复到起始状态，再加载从初始时刻到当前时刻的所有加载目标。

优选的是，每完成一步加载后，试验加载系统和测试对象复位，恢复到起始状态。

优选的是，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，通过数值模拟系统获得初始时刻的加载目标；

步骤二、将步骤一得到的加载目标发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

步骤三、试验加载系统和测试对象复位；

步骤四、进入下一时刻，数值模拟系统结合接收到的试验数据获得该时刻的加载目标；

步骤五、从初始时刻到当前时刻的所有加载目标一起发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

重复步骤三至步骤五，直至试验完成。

优选的是，数值模拟系统采用有限元数值模拟系统实现。

本发明解决了现有实时混合试验中数值模拟部分与试验加载部分无法同步实时运行，导致的实时混合试验不能开展的问题。数值模拟部分与试验加载部分无法实时同步运行，即为数值模拟部分运行时间过长而无法及时将计算所得的加载目标传递给试验加载部分，导致试验加载系统不能实时进行加载。在这种情况下，试验加载部分将停止加载，一直等到新命令生成后继续加载该命令，这使得实测试件反力严重失真，导致试验失败。本发明的基于重启动加载方式的试验方法，每次加载新目标之前均需对试验加载系统复位，然后将从初始时刻到当前时刻的所有加载目标时程全部传递给试验加载系统，复现试验加载系统从初始时刻到当前时刻的实际振动历程，从而向前推进一个积分步。

本发明在每次加载前对试验加载系统复位，数值模拟部分不需要实时运行，待数值模拟部分生成新加载命令后，试验加载系统实现从初始时刻至当前时刻的全过程实时加载，复现试验加载系统的全过程振动以获得真实的试验数据，本发明的试验数据准确、可靠。

本发明适用于土木领域、交通领域、桥梁领域、航天领域和机械领域等。

附图说明

图1为一种基于重启动的实时混合试验方法的流程图；

图2为实施例1中原型车桥的结构示意图；1为试验车厢，2为数值车厢，3为桥梁即轨道梁，4为桥墩；

图3为实施例1中各子域的受力示意图；

图4为实施例1中车桥耦合实时混合试验的基本原理图；

图5为实施例1中采用本发明的方法进行车桥耦合实时混合试验的流程图；

图6为实施例2中TLD减振控制结构实时混合试验的基本原理图；

图7为实施例2中采用本发明的方法进行TLD减振控制结构实时混合试验的流程图，5为地震模拟振动台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，通过数值模拟系统获得初始时刻的加载目标；

步骤二、将步骤一得到的加载目标发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

步骤三、试验加载系统和测试对象复位；

步骤四、进入下一时刻，数值模拟系统结合接收到的试验数据获得该时刻的加载目标；

步骤五、从初始时刻到当前时刻的所有加载目标一起发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，复现试验加载的全过程振动历程，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

重复步骤三至步骤五，直至试验完成。

本实施方式中，在每一时间积分步内，试验加载系统恢复到起始状态(复位)等候，数值模拟系统可进行长时间精细化数值计算，待数值模拟部分计算完成产生新的加载目标后，试验加载系统重新完成从初始时刻到当前时刻的全过程实时加载，以真实复现整个试验加载状态。该方法对于试验加载部分具有可重复性的研究对象能真实获得新加载命令下的试验加载实测数据，为下一步试验奠定基础。

该方法可以开展基于重启动的磁悬浮列车-桥梁耦合实时混合试验(如实施例1)、基于重启动的车桥耦合实时混合试验、基于重启动的TLD减振控制结构实时混合试验方法(如实施例2)等。

优选实施的方式为，数值模拟系统采用精细化有限元数值模拟系统实现。试验加载系统采用高性能电液伺服加载系统完成实时加载。

实施例1

本实施例以磁悬浮列车-桥梁耦合实时混合试验阐述本发明的方法的基本原理和关键技术。为了给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，需要对车桥耦合振动，尤其是对列车过多跨桥时耦合振动开展试验研究。由于试验中不可能搭建真实的桥梁试件，采用实时混合试验方法研究车桥耦合作用是现有技术和试验条件下唯一可行的手段。

磁悬浮列车-桥梁耦合实时混合试验的关键难点之一，就是如何准确、可靠复现列车过桥墩时的冲击现象。从数值计算的角度看，为了准确考虑桥梁、列车在桥墩处的相互作用，需要采用非常小的计算步长；而采用过小的计算步长，桥梁及数值车厢计算的实时性又无法得到保证。此时数值模拟部分无法在给定时间步长内完成计算并给加载系统传递目标，这使得试验加载系统停止加载，待新命令生成后继续加载导致实测试件反力严重失真，因此无法开展实时混合试验。

下面结合图2至图4对本实施例进行详细说明。原型车桥的结构示意图如图2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，各子域的受力示意图如图2所示。试验加载中利用振动台阵系统(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。运用本发明的方法进行车桥耦合实时混合试验的基本原理如图3所示，图4为流程图。

本实施例的方法进行车桥耦合实时混合试验具体包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，设定列车在桥上的初始位置，通过桥梁动力学计算系统获得初始时刻桥梁的挠度及速度。

步骤二、通过车辆动力学计算系统计算数值车厢在该挠度及速度下的受力状态，计算悬浮间隙并通过悬浮控制器进行悬浮控制，获得该时刻数值车厢的悬浮力及数值车厢对试验车厢的牵引力。

步骤三、将步骤一计算得到的桥梁挠度及速度、步骤二计算得到的悬浮力及牵引力发送给振动台阵系统和车端关系模拟系统，复现试验车厢的实际振动。

步骤四、将振动台阵系统和车端关系模拟系统复位。

步骤五、将数值车厢及试验车厢的悬浮力发送给桥梁动力学计算系统；

步骤六、进入下一时刻：根据车的行驶速度计算获得车的行驶距离及其与桥的相对位置，相应更新悬浮力作用在桥上的位置，计算此时刻桥梁的挠度及速度，得到桥梁从初始时刻到当前时刻的挠度及速度时程；

步骤七、重复步骤二，计算此时数值车厢的悬浮力及数值车厢对试验车厢的牵引力，得到数值车厢从初始时刻到当前时刻的悬浮力及牵引力时程。

步骤八、将桥梁的挠度与速度时程、数值车厢的牵引力时程，全部传递给振动台阵系统和车端关系模拟系统，复现试验车厢从初始时刻到当前时刻的全部振动历程。

重复步骤四至步骤八，直至试验完成。

实例2

本实施例以TLD(调谐液体阻尼器)减振控制结构实时混合试验为例阐述本发明的方法的基本原理和关键技术。为了给磁悬浮列车的悬浮控制系统设计、轨道方法的基本原理和关键技术。减振控制结构实时混合试验是针对结构的某一部分，一般是试验者所关心的、较为重要的一部分进行试验，将这一部分制作为模型放置在振动台上，对于其他有成熟经验的部分则作为数值模型让计算机来模拟。由此，减振控制结构实时混合试验可以进行大比例甚至足尺试验，使试验结果重点突出，并能节约大量的经费与时间。

TLD减振控制结构实时混合试验难点在于实时计算出振动台的激励命令。由于计算出振动台的激励命令所需时间较长，激励命令无法及时传递给伺服振动台子结构试验硬件系统，导致地震模拟振动台不能实时驱动，无法实时连续复现结构实际振动。实测试件反力失真将导致试验失败。

下面结合图6和图7对本实施例进行详细说明。如图6为TLD减振控制结构实时混合试验原理示意图。被控结构为框架，上面安装有TLD。对于框架结构的数值模型已经较为成熟，并有大量试验及理论研究，故可以用有限元模型进行模拟。TLD作为试验子结构安放在地震模拟振动台上。图7为TLD减振控制结构实时混合试验流程图。具体流程如下：

步骤一、假定初始时刻试验子结构的反力(即测量的剪力)为0，有限元模型在外部激励与初始条件下计算得出框架结构与TLD交互界面的运动量，在本例中即为框架第三层在这一时刻的位移、速度、加速度；

步骤二、将步骤一计算得到的运动量作为激励命令，以激励命令驱动地震模拟振动台，带动试验子结构，使其实现激励命令，复现结构实际振动；

步骤三、在实现激励命令的时刻，测得试验子结构对有限元模型的反力；

步骤四、将地震模拟振动台以及试验子结构系统复位；

步骤五、将反力即外力发送给有限元模型，在反力与外部激励的作用下计算出下一时刻的激励命令；

步骤六、用初始时刻到当前时刻的激励命令依次实时驱动地震模拟振动台，带动试验子结构，使其依次实现激励命令，复现结构从初始时刻到当前时刻的全部振动过程；

重复步骤三至步骤六，直到试验完成。

实例3

本实施例结合图6进行说明，如图6为TLD减振控制结构实时混合试验原理示意图，图6中k1至k3、c1至c3均为框架的模型参数，dN1至dN3分别为框架第一层至第三层界面的运动量；图6中被控结构为框架上面安装有TLD，对于框架结构的数值模型已经较为成熟，并有大量试验及理论研究，故可以用有限元模型进行模拟。TLD作为试件安放在地震模拟振动台上，用振动台进行试验加载。试验过程中在线交互数据，进行实时混合试验。在每个积分步首先对框架结构进行有限元模拟计算得到框架顶部的位移、速度和加速度，将这些运动量作为振动台加载命令对TLD试件进行加载，测量TLD试件底部剪力反馈给数值模拟部分用于下一步计算，振动台及TLD试件恢复到初始状态等候，待新命令生成后重新启动从起始时刻到当前时刻的所有加载命令，测量TLD试件底部剪力反馈给数值模拟部分用于下一步计算；如此循环，完成实时混合试验。

Claims (10)

1.一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，该方法为：

在每一时间积分步内，试验加载系统恢复到起始状态，再加载从初始时刻到当前时刻的所有加载目标。

2.根据权利要求1所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，每完成一步加载后，试验加载系统和测试对象复位，恢复到起始状态。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，通过数值模拟系统获得初始时刻的加载目标；

步骤二、将步骤一得到的加载目标发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

步骤三、试验加载系统和测试对象复位；

步骤四、进入下一时刻，数值模拟系统结合接收到的试验数据获得该时刻的加载目标；

步骤五、从初始时刻到当前时刻的所有加载目标一起发送给试验加载系统，试验加载系统进行加载，并将测得的试验数据反馈给数值模拟系统；

重复步骤三至步骤五，直至试验完成。

4.根据权利要求3所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，所述数值模拟系统采用有限元数值模拟系统实现。

5.根据权利要求3所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，所述试验加载系统采用高性能电液伺服加载系统完成实时加载。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，当所述实时混合试验方法为车桥耦合实时混合试验时，包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，设定列车在桥上的初始位置，桥梁动力学计算系统计算初始时刻桥梁的挠度及速度；

步骤二、车辆动力学计算系统计算数值车厢在步骤一的挠度及速度下的受力状态，计算悬浮间隙并通过悬浮控制器进行悬浮控制，获得初始时刻数值车厢的悬浮力及数值车厢对试验车厢的牵引力；

步骤三、将步骤一计算得到的桥梁挠度及速度、步骤二计算得到的悬浮力及牵引力发送给试验加载系统，复现试验车厢的实际振动；

步骤四、将试验加载系统复位；

步骤五、将数值车厢及试验车厢的悬浮力发送给桥梁动力学计算系统；

步骤六、进入下一时刻，根据车的行驶速度计算车的行驶距离及车与桥的相对位置，相应更新悬浮力作用在桥上的位置，计算此时刻桥梁的挠度及速度，得到桥梁从初始时刻到当前时刻的挠度及速度时程；

步骤七、车辆动力学计算系统计算数值车厢在步骤六的挠度及速度时程下的受力状态，计算悬浮间隙并通过悬浮控制器进行悬浮控制，计算此时数值车厢的悬浮力及数值车厢对试验车厢的牵引力，得到数值车厢从初始时刻到该时刻的悬浮力及牵引力时程；

步骤八、将桥梁的挠度与速度时程和数值车厢的牵引力时程，全部传递给试验加载系统，复现试验车厢从初始时刻到当前时刻的全部振动历程；

重复步骤四至步骤八，直至试验完成。

7.根据权利要求6所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，所述试验加载系统采用振动台阵系统和2套车端关系模拟系统实现。

8.根据权利要求7所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，所述振动台阵系统采用8套三向六自由度振动台实现，所述车端关系模拟系统采用1台反力支架及1台水平作动器实现。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，当所述实时混合试验方法为TLD减振控制结构实时混合试验时，包括以下步骤：

步骤一、初始时刻，假定初始时刻试验子结构的反力为0，有限元模型在外部激励与初始条件下计算得出框架结构与TLD交互界面的运动量；

步骤二、将步骤一得到的运动量作为激励命令，以激励命令驱动地震模拟振动台，带动试验子结构，使试验子结构实现激励命令，复现结构实际振动；

步骤三、在实现激励命令的时刻，测得试验子结构对有限元模型的反力；

步骤四、将地震模拟振动台以及试验子结构系统复位；

步骤五、进入下一时刻，将反力发送给有限元模型，在反力与外部激励的作用下计算出该时刻的激励命令；

步骤六、用初始时刻到当前时刻的激励命令依次实时驱动地震模拟振动台，带动试验子结构，使试验子结构依次实现激励命令，复现结构从初始时刻到当前时刻的全部振动过程；

重复步骤三至步骤六，直到试验完成。

10.根据权利要求9所述的一种基于重启动的实时混合试验方法，其特征在于，所述运动量为框架第三层的位移、速度和加速度。