CN110261141B - 一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮隧道车‑隧动力耦合混合模拟测试方法与装置。本方法用于分析研究悬浮隧道在车‑隧耦合问题上的动力特性。具体的步骤包括：针对不同研究重点，将悬浮隧道、车辆与流体等划分成不同的物理子结构和数值子结构；基于有限元算法或相关软件，对数值子结构建立数值仿真模型；预制加工及安装物理子结构；通过数据交互系统和数据采集系统，完成由数值子结构的计算信息对物理子结构的加载控制，及由物理子结构的测量信息对数值子结构的模型更新；最终通过可视化界面监控、提取所需信息。本发明规避了纯数值模拟方法在结构复杂或存在复杂非线性行为下难以准确模拟、计算效率不高的弊端，针对传统的结构试验无法捕捉结构的动力特性或尺寸受限、使用和维护费用高昂等问题，利用混合模拟试验的子结构技术优势，可广泛适用于悬浮隧道等复杂结构物的非线性动力特性分析。

Description

一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置

技术领域

本发明涉及土木工程结构仿真与试验技术领域，具体涉及一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置。

背景技术

悬浮隧道是在近些年来提出的一种新型跨越水域的交通结构物，适用于跨越海峡、海湾、湖泊等大跨径水道分隔的两岸。与传统跨越式结构物相比，悬浮隧道具有众多优势。例如，在施工时对结构物周围的环境影响比较小；悬浮隧道可以全天候施工运营，不受自然天气变化的影响；由于放置位置较沉管隧道和海底隧道高、坡度缓，悬浮隧道受水底和海底的地质条件影响较小，也减小了汽车、火车行驶时的能量消耗和尾气排放等。因此，开展有关悬浮隧道的深入研究是具有重要意义的。

在现有研究领域，针对悬浮隧道的相关研究尚不够深入，对于车-隧耦合系统等问题的研究更是少之又少。在现有研究方法中，采用纯数值方法难以建立复杂的车-隧耦合系统模型，在求解大变形、非线性或非连续问题时计算效率和精度都难以保证。在试验研究方面，模型试验是提供结构响应分析的重要方法。在悬浮隧道的相关研究中，最主要采用的是拟动力试验和振动台试验，而且由于试验场地和振动台尺寸的限制等原因往往采用的是缩尺模型，无法真实地模拟结构在各种荷载尤其是地震荷载作用下的性能表现。因此，有必要选择一种能够弥补振动台试验不足的工程结构动力试验技术。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有上述技术所存在的不足之处，提供一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置，既能弥补纯数值模型对复杂结构模拟的不足，又能够解决大型结构模型尺寸方面的问题，既能减缓纯数值方法的计算压力，又能展现复杂问题下的结构响应，为进一步研究悬浮隧道在大变形、大变位、非线性、多体耦合等问题下的结构响应提供一个强有力的手段。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,用于分析研究悬浮隧道在车-隧耦合问题上的动力特性。其特征在于该方法的具体步骤是：

(a)针对不同研究重点，将悬浮隧道、车辆与流体等划分成不同的物理子结构和数值子结构；

(b)基于有限元算法或相关软件，对数值子结构建立数值仿真模型；

(c)预制加工及安装物理子结构；

(d)通过数据交互系统和数据采集系统，完成由数值子结构的计算信息对物理子结构的加载控制，及由物理子结构的测量信息对数值子结构的模型更新；

(e)通过可视化界面监控、提取所需信息。

如上所述的悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,，其中，物理子结构与数值子结构划分的不同工况如下：

(i)针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究；

(ii)针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究。

如上所述的悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,，其中，建立数值子结构模型的具体方法如下：

(i)根据结构的基本信息，建立基于各类有限元理论或有限元软件的数值子结构模型；

(ii)选取积分方法和积分步长，求解结构的运动方程。

如上所述的悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,，其中，建立数值子结构模型的具体方法如下：

根据物理子结构模型规模和复杂程度，将物理子结构以足尺模型或者缩尺模型进行工厂预制加工及安装。

如上所述的悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,，其中，控制对物理子结构加载的具体方法如下：

(i)在控制系统内完成对数值子结构模型在每一个数值积分步长内的位移预测、速度预测、加速度预测及内力求解，并采用控制算法进行修正；

(ii)由数据交互系统，读取数值子结构与物理子结构连接处的修正后计算位移或计算力值并将其作为目标位移或目标力，通过加载系统和装置加载到物理子结构对应的自由度上。

更进一步地：

更新数值子结构模型的具体方法如下：

经数据采集系统测得物理子结构实际加载后的反馈量，由数据交互系统再传递给数值子结构模型，作为下一个积分步长的计算依据。

如上所述的悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置,，其中，提取所需信息的具体方法如下：

(i)在主控计算机上建立与控制器的通讯界面，在通讯界面调控初始各参数；

(ii)在主控计算机上输入所需查看点，经由存储器，直接读取该点动力响应。

更进一步地：

划分物理子结构与数值子结构的具体方法如下：

(i)针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究。将悬浮隧道管体、锚索及流体环境制成物理子结构，将隧道管体中的车辆作为数值子结构，由有限元算法进行仿真建模；

(ii)针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究。将隧道管体中的车辆作为物理子结构，悬浮隧道管体、锚索及流体环境作为数值子结构，由有限元算法进行仿真模拟。

更进一步地，所述数值子结构模型采用变量存储器存储各积分步长下的变量参数，完成信息传递和更新。

更进一步地，控制对物理子结构加载的具体方法在于：

(i)若物理子结构为足尺模型，采用加载系统和装置直接将目标位移或目标力加载到物理子结构上，加载装置根据实际情况可分为作动器、振动台、作动器-振动台耦合装置；

(ii)若物理子结构为缩尺模型，根据权利要求10.(i)，将目标位移或目标力按照相似条件转化为缩尺模型下物理子结构的位移或力，由加载系统和装置加载到物理子结构上。

更进一步地，更新数值子结构模型的具体方法在于：

(i)若物理子结构为足尺模型，提取物理子结构模型的位移或者力，直接反馈到数值子结构中；

(ii)若物理子结构为缩尺模型，提取物理子结构模型的位移或者力，根据相似条件转化为足尺模型下数值子结构的位移或者力，反馈到数值子结构中。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用基于子结构技术的混合试验方法，既规避了纯数值算法对于复杂结构建模难、一般模型高度简化问题，提高计算效率，可以实现车-隧耦合系统的建模；又降低了加载设备的尺寸和数量要求，节省了试验成本，可以更轻松地完成针对车-隧耦合系统的相关试验。

总而言之，本发明的提出，为进一步研究悬浮隧道在大变形、大变位、非线性、多体耦合等问题下的动力响应提供一个强有力的手段，而且具有广泛的应用性。

附图说明

图1为针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究流程示意图。

图2为本发明针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究示意图。

图3为本发明实施例的针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究示意图。

图4为本发明实施例的针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法与装置，整体流程示意图如图1-图2所示，主要包括如下步骤：(a)针对不同研究重点，将悬浮隧道、车辆与流体等划分成不同的物理子结构和数值子结构；(b)基于有限元算法或相关软件，对数值子结构建立数值仿真模型；(c)预制加工及安装物理子结构；(d)根据受力情况，进行数值模型求解，求解出数值子结构与物理子结构连接处的边界点的计算信息；(e)通过控制系统和数据交互系统，将数值子结构的计算信息修正后，对物理子结构的加载控制；(f)通过数据交互系统和数据采集系统，将加载后采集的物理子结构测量信息反馈给数值子结构，已完成下一个时间步长的模型更新；(g)通过可视化界面监控、提取所需信息。以下将根据不同研究重点，仔细描述整个流程。

(i)针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究，如图2所示；

第一步，将悬浮隧道管体、锚索及流体环境作为物理子结构，将隧道管体中的车辆作为数值子结构；

第二步，将主控计算机与控制器连接，在有限元软件中进行车辆的建模。在本实施例中车辆为列车模型。将隧道管体中的列车离散成一系列点，将轮轴和车体之间简化成一组弹簧阻尼元件，车辆作用在隧道上的力由轮轴和车体之间的弹簧阻尼元件传至车体；

第三步，在控制系统中，采用中心差分法完成对列车模型在每一个数值积分步长内的位移预测、速度预测、加速度预测及内力求解，并采用前馈-反馈综合控制算法进行位移修正；

第四步，在控制系统中，将初始模型参数及计算力和位移存储，采用变量存储器存储各积分步长下的变量参数，完成信息传递和更新；

第五步，将一组轮轴用作动器代替，安装在隧道管体的行车路面上，由数据交互系统和控制系统，将修正后的位移作为目标位移由电液伺服作动器加载到隧道管体的行车路面上；

第六步，由数据采集系统，读取安装在隧道管体的行车路面上的力传感器和位移传感器数据，由数据交互系统反馈给数值子结构，以进行下一个时间步长的更新；

第七步，在主控计算机上建立与控制器的通讯界面，在通讯界面调控初始各参数；

第八步，在主控计算机上输入所需查看点，经由存储器，直接读取该点动力响应。

(ii)针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究，如图3所示；

第一步，将隧道管体中的车辆作为物理子结构，悬浮隧道管体、锚索及流体环境作为数值子结构；

第二步，将主控计算机与控制器连接，在有限元软件中进行悬浮隧道管体、锚索及流体环境的建模。在本实施例中将隧道管体、锚索简化成一系列离散点，将流体作用由Morison方程模拟；

第三步，在控制系统中，采用中心差分法完成对悬浮隧道管体、锚索及流体环境模型在每一个数值积分步长内的位移预测、速度预测、加速度预测及内力求解，并采用前馈-反馈综合控制算法进行位移修正；

第四步，在控制系统中，将初始模型参数及计算力和位移存储，采用变量存储器存储各积分步长下的变量参数，完成信息传递和更新；

第五步，将车辆用一组轮轴和轮轴上方的压重质量块简化。将隧道与车辆接触处用一系列作动器代替，由数据交互系统和控制系统，将修正后的位移作为目标位移到车辆结构对应位置；

第六步，由数据采集系统，读取安装在车辆结构上的力传感器和位移传感器数据，由数据交互系统反馈给数值子结构，以进行下一个时间步长的更新；

第七步，在主控计算机上建立与控制器的通讯界面，在通讯界面调控初始各参数；

第八步，在主控计算机上输入所需查看点，经由存储器，直接读取该点动力响应。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出各种修改和变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，用于分析研究悬浮隧道在车-隧耦合问题上的动力特性；其特征在于该方法的具体步骤是：

(a)针对不同研究重点，将悬浮隧道、车辆与流体划分成不同的物理子结构和数值子结构：

(i)针对车-隧耦合系统中悬浮隧道在车辆作用下的结构特性研究：将悬浮隧道管体、锚索及流体环境制成物理子结构，将隧道管体中的车辆作为数值子结构，由有限元算法进行仿真建模；

(ii)针对车-隧耦合系统中行车舒适性的研究：将隧道管体中的车辆作为物理子结构，悬浮隧道管体、锚索及流体环境作为数值子结构，由有限元算法进行仿真模拟；

(b)基于有限元算法或相关软件，对数值子结构建立数值仿真模型；

(c)将物理子结构进行预制加工及安装；

(d)通过数据交互系统和数据采集系统，完成由数值子结构的计算信息对物理子结构的加载控制，及由物理子结构的测量信息对数值子结构的模型更新；

(e)通过可视化界面监控、提取所需信息。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于步骤(b)建立数值子结构模型的具体方法如下：

(i)根据结构的基本信息，建立基于各类有限元理论或有限元软件的数值子结构模型；

(ii)选取积分方法和积分步长，求解结构的运动方程。

3.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于步骤(c)加工物理子结构的具体方法为：

根据物理子结构模型规模和复杂程度，将物理子结构以足尺模型或者缩尺模型进行工厂预制加工及安装。

4.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于步骤(d)控制对物理子结构加载的具体方法如下：

(i)在控制系统内完成对数值子结构模型在每一个数值积分步长内的位移预测、速度预测、加速度预测及内力求解，并采用控制算法进行修正；

(ii)由数据交互系统和控制系统，读取数值子结构与物理子结构连接处的修正后计算位移或计算力值，并将其作为目标位移或目标力，通过加载系统和装置加载到物理子结构对应的自由度上。

5.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于步骤(d)更新数值子结构模型的具体方法如下：

经力传感器和位移传感器测得物理子结构实际加载后的反馈量，由数据采集系统和数据交互系统再传递给数值子结构模型，作为下一个积分步长的计算依据。

6.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于步骤(e)提取所需信息的具体方法如下：

(i)在主控计算机上建立与控制器的通讯界面，在主控计算机界面调控各初始参数；

(ii)在主控计算机上输入所需查看点，经存储器直接读取该点的动力响应。

7.根据权利要求2所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于采用变量存储器存储各积分步长下的变量参数，完成信息传递和更新。

8.根据权利要求4所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于：

(i)若物理子结构为足尺模型，采用加载装置直接将目标位移或目标力加载到物理子结构上，加载装置根据实际情况可分为作动器、振动台、作动器-振动台耦合；

(ii)若物理子结构为缩尺模型，将目标位移或目标力按照相似条件转化为缩尺模型下物理子结构的位移或力，由加载装置加载到物理子结构上。

9.根据权利要求5所述的一种悬浮隧道车-隧动力耦合混合模拟测试方法，其特征在于：

(i)若物理子结构为足尺模型，提取物理子结构模型的位移或者力，直接反馈到数值子结构中；

(ii)若物理子结构为缩尺模型，提取物理子结构模型的位移或者力，根据相似条件转化为足尺模型下数值子结构的位移或者力，反馈到数值子结构中。

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