CN110263360B - 一种悬浮隧道减振装置性能混合模拟测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬浮隧道减振装置性能混合模拟测试方法与装置。本方法用于解决针对悬浮隧道的锚索振动控制研究的减振器设计优化及减振效果验证问题。具体的步骤包括：针对不同研究重点，将减振器与悬浮隧道、锚索和流体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，建立数值子结构的仿真模型；将物理子结构按照足尺模型或缩尺模型进行预制加工和安装；通过控制系统、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；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无法模拟出复杂的悬浮隧道‑锚索‑流体系统模型，无法真实反映减振器安装下系统的振动响应的问题，也避免了实桥试验下验证减振器性能的各种不可控因素及试验可能引起的交通问题，利用混合模拟试验的子结构技术，解决了建模复杂、计算压力大、场地限制等问题。

Description

一种悬浮隧道减振装置性能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减振装置性能混合模拟测试方法与装置。

背景技术

随着交通工程的不断发展和人类需求的不断增长，更多跨江跨海结构被广泛设计和应用。其中，悬浮隧道作为一种新型结构物，因其受地质条件影响较小等优势，被认为十分适用于跨江跨海工程。锚索结构作为悬浮隧道系统的重要组成部分，由于阻尼小、质量小及柔度大的特性，在各种激励下极易产生局部振动。锚索振动可能会引起结构疲劳从而导致结构安全问题，不利于结构的正常运营。因此，开展有关悬浮隧道锚索减振装置的研究是十分必要的。

混合模拟试验技术作为一种新型试验技术，既避免了纯数值模拟方法难以模拟复杂模型的弊端，又摆脱了传统试验方法无法捕捉真实结构动态响应或受到场地限制和花费高昂等问题，十分适用于结构难以模拟或性能复杂的试验工况。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术所存在的不足之处，提供一种悬浮隧道减振装置性能混合模拟测试方法与装置，既能避免采用纯数值算法难以模拟复杂结构的弊端，又能够解决传统试验技术占地受限、维护费用高等问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种悬浮隧道减振装置性能混合模拟测试方法与装置,用于解决针对悬浮隧道的锚索振动控制研究的减振器设计优化及减振效果验证问题。其特征在于该方法的具体步骤是：

(a)针对不同研究重点，将减振器与悬浮隧道、锚索和流体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，建立数值子结构的仿真模型；

(c)将物理子结构进行预制加工和安装；

(d)通过控制系统、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减振装置性能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)针对锚索振动问题中减振器设计的优化研究；

(ii)针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究。

如上所述的悬浮隧道减振装置性能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减振装置性能混合模拟测试方法与装置，其中，加工物理子结构的具体方法如下：

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减振装置性能混合模拟测试方法与装置，其中，物理子结构加载控制的具体方法如下：

(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。

更进一步地，更新数值子结构模型的具体方法如下：

经位移传感器和力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。

如上所述的基于混合模拟试验的悬浮隧道车-隧耦合系统研究方法，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)针对锚索振动问题中减振器研发的优化研究。将悬浮隧道管体、锚索、车辆及流体环境均作为物理子结构，将安装在锚索上的减振器作为数值子结构进行仿真模拟；

(ii)针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究。将安装在锚索上的减振器作为物理子结构，将悬浮隧道管体、锚索、车辆及流体环境作为数值子结构进行仿真模拟。

更进一步地，所述建立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，物理子结构控制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，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：

本发明采用混合模拟试验技术，将真实结构划分成结构简单的数值子结构和性能复杂难以模拟的物理子结构，避免了纯数值模拟的建模困难、计算效率低的问题，克服了传统试验技术无法捕捉真实结构动态响应或占地受限、维护费用高等缺点。

总而言之，本发明的提出，为进一步研究悬浮隧道的锚索体系在各种荷载激励下的振动响应、如何采取响应的振动措施及评估减振装置效果提供了一个重要途径。

附图说明

图1为本发明针对锚索振动问题中减振器设计的优化研究的流程示意图。

图2为本发明针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究的流程示意图。

图3为本发明针对锚索振动问题中减振器设计的优化研究示意图。

图4为本发明针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究示意图。

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减振装置性能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，将减振器与悬浮隧道、锚索和流体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，建立数值子结构的仿真模型；(c)将物理子结构按照足尺模型或缩尺模型进行预制加工和安装；(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)针对锚索振动问题中减振器研发的优化研究，如图3所示；

第一步，将悬浮隧道管体、锚索、车辆及流体环境均作为物理子结构，将安装在锚索上的减振器作为数值子结构；

第二步，将主控计算机与控制器连接，建立减振器的参数模型。在本实施例中减振器模型是用弹簧阻尼单元模拟；

第三步，在控制系统中，完成对减振器模型在每一个数值积分步长内的力求解，并采用控制算法进行力修正；

第四步，在控制系统中，将初始模型参数及计算力存储，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，其余可根据实验室条件做足尺或缩尺模型。将修正后的计算力作为目标力F_i+1加载到锚索的对应位置；

第六步，由数据采集系统，读取安装在锚索上的位移传感器数据x_i+1，将其反馈给减振器模型，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)针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究，如图4所示；

第一步，将安装在锚索上的减振器作为物理子结构，将悬浮隧道管体、锚索、车辆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，采用数值算法进行数值子结构的建模。在本实施例中车辆为列车模型，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，将根据(i)参数优化后的减振器制成试件，采用试验机夹头夹住减振器两端，由数据交互系统和控制系统，通过作动器将修正后的计算位移作为目标位移x_i+1加载到减振器上；

第六步，由数据采集系统，读取安装在试验机上的力传感器数据F_i+1，由数据交互系统反馈给锚索结构，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)

1.一种悬浮隧道减振装置性能混合模拟测试方法，用于解决针对悬浮隧道的锚索振动控制研究的减振器设计优化及减振效果验证问题；其特征在于该方法的具体步骤是：

(a) 针对不同研究重点，将减振器与悬浮隧道、锚索和流体划分成不同的物理子结构和数值子结构：

(i) 针对锚索振动问题中减振器设计的优化研究；

将悬浮隧道管体、锚索、车辆及流体环境均作为物理子结构，将安装在锚索上的减振器作为数值子结构进行仿真模拟；

(ii) 针对锚索振动问题中减振器减振效果的验证研究；

将安装在锚索上的减振器作为物理子结构，将悬浮隧道管体、锚索、车辆及流体环境作为数值子结构进行仿真模拟；

(b) 基于有限元算法，建立数值子结构的仿真模型；

(c) 将物理子结构进行预制加工和安装；

(d) 通过控制系统、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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，其特征在于步骤(d)更新数值子结构模型的具体方法如下：

经位移传感器和力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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，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减振装置性能混合模拟测试方法，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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