一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置。本方法用于分析研究悬浮隧道管体在车辆‑流体作用下的动力特性。具体的步骤包括：将整体结构划分成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；将物理子结构按照足尺模型或缩尺模型进行预制加工及安装；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；最终通过可视化界面监控、提取所需信息。本发明专利技术解决了纯数值算法难以模拟悬浮隧道在复杂荷载作用下的动力特性问题，也降低了试验技术的成本和场地设备等要求。

A Hybrid Simulated Test Method and Device for Suspension Tunnel Pipeline Performance

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置
本专利技术涉及土木工程结构仿真与试验
，具体涉及一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置。
技术介绍
悬浮隧道作为近年以及未来交通工程的研究重点，随着研究的不断深入，越来越多的因素考虑到结构的响应分析中。隧道管体作为悬浮隧道系统的重要组成部分，在运营状态下不仅长期受到流体作用，管体还受到车辆荷载的影响，而管体振动会激发锚索的参数振动。因此，考虑流体和车辆作用下的管体系统性能研究是十分必要的。由于纯数值算法难以模拟复杂的悬浮隧道结构问题，传统试验技术因场地限制、维护费用高昂等因素难以开展，因此，所提出的基于子结构技术的混合模拟试验技术，能够有效避免上述问题，捕捉结构动态性能。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，克服现有技术的不足之处，提供一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，解决了纯数值算法难以模拟悬浮隧道在复杂荷载作用下的动力特性问题，也降低了试验的成本和场地设备等要求。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，用于分析研究悬浮隧道管体在车辆-流体作用下的动力特性。其特征在于该方法的具体步骤是：(a)将整体结构划分成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)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。如上所述的一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，其中，将悬浮隧道管体及锚索作为物理子结构，将车辆及流体环境作为数值子结构进行仿真模拟。如上所述的一种悬浮隧道管道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管道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。如上所述的一种悬浮隧道管道性能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。如上所述的悬浮隧道管道性能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，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，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，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，本专利技术的有益效果体现在：1.本专利技术采用基于子结构技术的混合试验方法，有效避免了纯数值算法对复杂结构物建模困难、计算压力大等问题，而且节省了试验成本。2.本专利技术数值模拟部分可限制使用某一种算法或软件进行计算，对于大型结构物，可采用能够并行计算的算法进行加速运算，有效提高计算效率。总而言之，本专利技术的提出，为进一步研究悬浮隧道管体在车辆、流体等多荷载作用下的结构响应提供一个强有力的手段。附图说明图1为本专利技术实施例的整体流程示意图。图2为本专利技术实施例的悬浮隧道管体在车辆、流体等多荷载作用示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，整体流程示意图如图1所示，主要包括如下步骤：(a)将整体结构划分成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)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。如图2所示，以下将仔细描述整个流程。第一步，将悬浮隧道管体及锚索作为物理子结构，将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，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。流体作用用由Morison方程模拟；第三步，在控制系统中，完成对车辆-流体模型在每一个数值积分步长内的位移预测、速度预测、加速度预测和力求解，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，安装在隧道管体相应位置上，流体作用由一组作动器简化作用在管体外壁上，将修正后的计算位移x车辆i+1和x流体i+1作为目标位移分别加载到隧道管体和隧道管体内的行车路面上；第六步，读取安装在隧道管体和隧道管体内行车路面上的力传感器数据F管体i+1，F路面i+1，分别将其反馈给车辆模型和流体模型，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。本说明书的附图为示意图，辅助说明本专利技术的构思，示意性地表示各部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置,用于分析研究悬浮隧道管体在车辆‑流体作用下的动力特性。其特征在于该方法的具体步骤是：(a)将整体结构划分成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)将物理子结构进行预制加工及安装；(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。

【技术特征摘要】
1.一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置,用于分析研究悬浮隧道管体在车辆-流体作用下的动力特性。其特征在于该方法的具体步骤是：(a)将整体结构划分成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)将物理子结构进行预制加工及安装；(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管道性能混合模拟测试方法与装置，其特征在于步骤(a)划分物理子结构与数值子结构的具体方法为：将悬浮隧道管体及锚索作为物理子结构，将车辆及流体环境作为数值子结构进行仿真模拟。3.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，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。4.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，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。5.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道管道性能混合模拟测试方法与装置，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：段元锋，方怡，章红梅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33