CN111323185B - 一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法 - Google Patents

一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法，本发明通过初始时滞补偿和自适应加载段的双重初始时滞补偿策略，能够保证在正式加载地震波之前，系统的初始时滞接近于0，解决了实时混合仿真试验中对初始时滞估计和补偿不足的问题；本发明将空间框架试验子结构等效为一个试验单元，利用信号转换模块将整体模型中试验子结构对应的整体位移反应转换为实际固定在基础上的试验子结构加载相对位移，实现了对刚度较大的大比例尺空间框架模型的实时加载。

Description

一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法
技术领域
本发明属于土木工程结构试验领域，具体涉及一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法。
背景技术
实时混合仿真又称为实时子结构试验，是在子结构拟动力试验的基础上发展起来的一种新型结构试验方法，将整体结构划分为试验子结构和数值子结构两部分，其中试验子结构在实验室进行实时加载，数值子结构在有限元软件中进行实时模拟，由于实时混合仿真可以考虑加载速率对试件的影响，因此可以得到结构在地震荷载作用下更真实的动态响应。
实时混合仿真试验中，系统时滞的估计和补偿一直是研究人员重点考虑的问题，但是目前对于初始时滞的估计和补偿仍然只是采用简单的初始步一次性补偿方法，这往往导致对系统的初始时滞补偿不够充分，使系统在正式加载环节更容易出现失稳的情况。另一方面，目前实时混合仿真的试验对象多为刚度较小的单根构件，而针对刚度较大的大比例尺整体框架模型的实时加载试验仍然较少。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够对空间框架模型进行实时加载并充分考虑初始时滞估计和补偿的空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，将整体空间框架模型划分为试验子结构和数值子结构两部分，且试验子结构选取顶层框架；
步骤二，建立数值子结构模型，选取地震波定义荷载工况；
步骤三，安装空间框架试验子结构的加载装置；
步骤四，进行试验控制设置、试验设备定义、试验站点定义和试验单元建立；
步骤五，通过加载装置对试验子结构进行预加载，根据反馈数据估算系统的初始时滞，并将此值输入到目标计算机中的初始时滞模块，完成正式加载前时滞的第一次补偿；
步骤六，在步骤五中的初始时滞补偿的基础上，对步骤二中所定义的荷载工况进行修正，在选择的每条真实地震波记录之前定义一段自适应加载段记录；
步骤七，计算试验子结构部分在ti+τ时刻的目标位移y(ti+τ)，将y(ti+τ)转化为相对于试验子结构底部的相对位移Δy(ti+τ)，目标机对Δy(ti+τ)进行预测并在ti时刻将考虑幅值增益后的命令位移Δu(ti)发送给作动器，使提前的时间Δt与系统时滞估计值τ相等；
步骤八，作动器达到命令位移通过力传感器测得试验子结构的反力为fi，将此反力信号反馈，得到整体模型中试验子结构在此刻的恢复力；
步骤九，令i＝i+1，重复步骤八和步骤九，直至所有地震波加载结束。
步骤二中，建立数值子结构模型采用OpenSEES数值模拟软件。
步骤四是在子结构试验通讯平台OpenFresco上建立。
步骤五中，目标计算机包括基于位移预测的自适应前馈时滞补偿器AFC，自适应前馈时滞补偿器AFC利用递推最小二乘算法对位移信号进行预测实现系统的时滞补偿。
步骤六中，自适应加载段的加速度峰值要小于真实地震记录峰值的5％，且频率避开地震波的主频段。
计算得到试验子结构部分在ti+τ时刻的目标位移采用OpenSEES数值模拟软件，将试验子结构的反力反馈至OpenSEES数值模拟软件。
与现有技术相比，本发明通过初始时滞补偿和自适应加载段的双重初始时滞补偿策略，能够保证在正式加载地震波之前，系统的初始时滞接近于0，解决了实时混合仿真试验中对初始时滞估计和补偿不足的问题；本发明将空间框架试验子结构等效为一个试验单元，利用信号转换模块将整体模型中试验子结构对应的整体位移反应转换为实际固定在基础上的试验子结构加载相对位移，实现了对刚度较大的大比例尺空间框架模型的实时加载。
附图说明
图1为本发明的试验系统示意图；
图2为空间框架模型自适应实时混合仿真试验流程图；
图3为在目标机中建立的带有自适应前馈时滞补偿器的Simulink仿真模型图；
图4为时滞补偿器基于位移基于位移信号进行预测的示意图；
图5为未添加自适应段的实时混合仿真试验结果示意图；
图6为添加了2秒自适应加载段后的原始地震波记录图；
图7为添加自适应段后的实时混合仿真试验结果；
图8为空间框架试验子结构加载装置；
图中，1、混凝土反力墙，2、25t MTS动态电液伺服作动器，3、加载分配梁，4、试验子结构，5、地梁，6、地脚螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明包括以下步骤：
步骤一，将整体空间框架模型划分为试验子结构和数值子结构两部分，且试验子结构选取顶层框架；
步骤二，采用OpenSEES数值模拟软件建立数值子结构模型，选取地震波定义荷载工况；
步骤三，安装空间框架试验子结构的加载装置；
步骤四，在子结构试验通讯平台OpenFresco上进行试验控制设置、试验设备定义、试验站点定义和试验单元建立；
步骤五，通过加载装置对试验子结构进行预加载，根据反馈数据估算系统的初始时滞，并将此值输入到目标计算机中的初始时滞模块，完成正式加载前时滞的第一次补偿；
步骤六，在步骤五中的初始时滞补偿的基础上，对步骤二中所定义的荷载工况进行修正，在选择的每条真实地震波记录之前定义一段自适应加载段记录；
步骤七，采用OpenSEES数值模拟软件计算试验子结构部分在ti+τ时刻的目标位移y(ti+τ)，将y(ti+τ)转化为相对于试验子结构底部的相对位移Δy(ti+τ)，目标机对Δy(ti+τ)进行预测并在ti时刻将考虑幅值增益后的命令位移Δu(ti)发送给作动器，使提前的时间Δt与系统时滞估计值τ相等；
步骤八，作动器达到命令位移通过力传感器测得试验子结构的反力为fi，将此反力信号反馈至OpenSEES数值模拟软件，得到整体模型中试验子结构在此刻的恢复力；
步骤九，令i＝i+1，重复步骤八和步骤九，直至所有地震波加载结束。
试验对象为刚度较大的多层空间框架结构，且选取整体模型的顶层框架作为试验子结构进行实时加载试验。
目标计算机包含了一个基于位移预测的自适应前馈时滞补偿器AFC(AdaptiveFeed-forward Delay Compensator)，该补偿器利用递推最小二乘算法对位移信号进行预测实现系统的时滞补偿。在实时混合仿真试验中，时滞是影响加载系统精度和鲁棒性的主要因素。为了避免在正式加载阶段由于初始时滞过大而导致仿真结果失真，本试验方法提出了初始时滞估计+自适应加载段的双重初始时滞补偿策略。
实施例：
本发明原型结构为一个三层偏心支撑框架，取顶层空间框架部分作为试验子结构，剩余部分作为数值子结构。参见图8，试验子结构4通过地脚螺栓6固定在地梁5上，试验子结构4的顶部横梁上固定有加载分配梁3，加载分配梁3连接25t MTS动态电液伺服作动器2，25t MTS动态电液伺服作动器2固定在混凝土反力墙1上。
本发明的具体流程如下：
步骤一，将整体空间框架模型划分为试验子结构和数值子结构两部分，且试验子结构选取刚度较大的顶层框架而非一般试验中的单根构件；
步骤二，利用OpenSees建立偏心支撑框架数值子结构模型，选取原始地震波定义荷载工况；
步骤三，参考图2，采用OpenFresco中的梁柱试验单元来进行试验子结构的等效通讯，依据刚性楼板假定，可认为在楼盖平面内的所有节点的平动保持一致，此时水平位移是主自由度，可将试验子结构看成是一个整体单元。利用多点约束命令：Multi-pointConstraints保证数值子结构顶部与试验单元底部位移响应一致。试验试验单元顶点的水平位移代表了试验子结构整体的顶部位移，试验单元的水平刚度反映了试验子结构框架整体的水平刚度；
步骤四，参考图3，在目标机中建立基于自适应前馈时滞补偿的Simulink仿真模型。参考图4，通过对位移信号进行预测和估计来实现系统的时滞补偿；
步骤五，参考图5，对试验子结构进行预加载，根据反馈数据估算系统的初始时滞，并将此值输入到目标计算机中的初始时滞模块，对试验加载的第一步进行时滞补偿。由预加载试验结果可以看出，由于未进行有效的初始时滞补偿，在经过约1.5秒后反馈位移才和目标位移具有了较好的吻合度；
步骤六，参考图6，为了避免由于初始时滞补偿和估计不足导致正式加载阶段试验系统的稳定性变差，在步骤(2)中每条真实地震波记录之前定义一段持时2秒的自适应加载段记录。自适应加载段的加速度峰值要小于真是地震记录峰值的5％，且频率避开地震波的主频段；
步骤七，参考图2，开始空间框架模型的实时混合仿真试验。假设OpenSEES计算得到整体模型在ti时刻各层的位移响应分别为y1，y2，和y3，对应的混合仿真模型中，数值子结构第一、二层的位移响应为y1和y2，试验单元底部的位移响应为y2，试验单元顶部的位移响应为y3，OpenFresco将试验子结构部分的计算位移di＝y3转换为作动器加载的相对目标位移Δdi＝y3-y2。然后目标机对目标位移Δdi进行幅值增益为命令位移Δdi c并提前发送给控制器，作动器接收到命令执行该步加载得到反力为fi，将此反力信号反馈回OpenSEES，进行混合仿真模型的下一步分析直至地震波加载结束。
步骤八，参考图7，对实时混合仿真试验结果进行分析，由反馈位移信号与目标位移信号在时域内的局部放大图可以看出，利用初始时滞估计+自适应加载段的双重初始时滞补偿策略可以保证在地震波正式加载前系统的稳定性处于最优状态。

Claims (3)

1.一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将整体空间框架模型划分为试验子结构和数值子结构两部分，且试验子结构选取顶层框架；
步骤二，采用OpenSEES数值模拟软件建立数值子结构模型，选取地震波定义荷载工况；
步骤三，安装空间框架试验子结构的加载装置；
步骤四，在子结构试验通讯平台OpenFresco上进行试验控制设置、试验设备定义、试验站点定义和试验单元建立；
步骤五，通过加载装置对试验子结构进行预加载，根据反馈数据估算系统的初始时滞，并将此值输入到目标计算机中的初始时滞模块，完成正式加载前时滞的第一次补偿；
步骤六，在步骤五中的初始时滞补偿的基础上，对步骤二中所定义的荷载工况进行修正，在选择的每条真实地震波记录之前定义一段自适应加载段记录，自适应加载段的加速度峰值要小于真实地震记录峰值的5％，且频率避开地震波的主频段；
步骤七，计算试验子结构部分在ti+τ时刻的目标位移y(ti+τ)，将y(ti+τ)转化为相对于试验子结构底部的相对位移Δy(ti+τ)，目标机对Δy(ti+τ)进行预测并在ti时刻将考虑幅值增益后的命令位移Δu(ti)发送给作动器，使提前的时间Δt与系统时滞估计值τ相等；
步骤八，作动器达到命令位移通过力传感器测得试验子结构的反力为fi，将此反力信号反馈，得到整体模型中试验子结构在此刻的恢复力；
步骤九，令i＝i+1，重复步骤八和步骤九，直至所有地震波加载结束。
2.根据权利要求1所述的一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法，其特征在于，步骤五中，目标计算机包括基于位移预测的自适应前馈时滞补偿器AFC，自适应前馈时滞补偿器AFC利用递推最小二乘算法对位移信号进行预测实现系统的时滞补偿。
3.根据权利要求1所述的一种空间框架模型自适应实时混合仿真试验加载方法，其特征在于，计算得到试验子结构部分在ti+τ时刻的目标位移采用OpenSEES数值模拟软件，将试验子结构的反力反馈至OpenSEES数值模拟软件。
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