一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法技术

一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法，尤其涉及一种应用与试验加载部分具有可重复性的迭代混合试验方法，属于结构混合试验技术应用领域。目的是解决同时传统时程级迭代混合试验方法由于运动方程求解时试件反力与所求方程存在轮次差，导致迭代收敛速度慢的问题。本发明专利技术对整体结构划分试验子结构和数值子结构，同时根据先验知识，建立试验子结构线性数值模型。通过对整体结构进行数值计算得到试验子结构全时程响应，通过对试验子结构全时程伺服加载得到全时程反力，利用相邻两迭代轮次的试验子结构位移、速度响应带入假定线性化模型对反力进行力修正，并将修正力带入运动方程参与数值计算，提高运动方程求解精度，从而提高迭代收敛速度。提高迭代收敛速度。提高迭代收敛速度。

【技术实现步骤摘要】
一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法


[0001]一种基于非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法，它涉及一种应用于试验加载部分具有可重复性的迭代混合试验方法，具体涉及领域包括但不限于土木领域、交通领域、桥梁领域、航天领域、机械领域等。例如该方法可以高速列车减振器力修正迭代混合试验，基于装备有各类阻尼器的混凝土结构的力修正迭代混合试验等。

技术介绍

[0002]混合试验方法是一种结合真实试件物理加载与计算机数值模拟的新型抗震试验方法，通过对真实试件进行加载，能得到较为准确的试验结果，通过计算机数值模拟，能较大程度降低试验成本，提高试验的适用性，通过建立二者间的数据通信，进而进行实时计算。
[0003]由于大型复杂结构建模复杂，且数值计算积分步长较短，实时性较难实现。对于高速列车而言其建模自由度较高，因此实时计算也是较难实现。因此开发新型混合试验手段具有较为广泛的适用前景。
[0004]常规迭代混合试验存在问题，通常设定先对整体结构进行全时程数值计算，然后对试验子结构进行全时程加载，此过程作为迭代一轮。在进行下一轮迭代计算时，利用上轮加载得到的试验子结构全时程反力带入运动方程对下一轮试验子结构位移、速度响应进行计算，在迭代前期，上轮得到的试验子结构反力与下轮真实的试验子结构反力存在较大误差，这会降低运动方程的求解精度，导致迭代收敛速度缓慢，加载稳定性差。

技术实现思路

[0005]为了解决目前实时混合试验中数值子结构计算效率低，导致试验难以实现实时性，同时传统时程级迭代混合试验方法由于运动方程求解时试件反力与所求方程存在轮次差，导致迭代收敛速度慢的问题，本专利技术提出了一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法，具体方案如下：
[0006]包括如下步骤：
[0007]步骤一，将整体结构划分为数值子结构和试验子结构，并分别建立数值子结构数值模型和试验子结构线性数值模型；
[0008]步骤二，输入结构响应初值和外部激励，对整体结构进行全时程纯数值计算，得到试验子结构全时程位移、速度响应；
[0009]步骤三，对试验子结构进行全时程伺服加载，得到试验子结构在对应位移、速度响应下的全时程反力响应；
[0010]步骤四，进入下一轮，逐步积分求解本轮的试验子结构位移和速度响应，最终得到运动方程为：
[0011][0012]其中M
N
、C
N
、K
N
分别代表数值子结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，X
N
分别数值子结构的加速度向量、速度向量和位移向量，R
E
为试验子结构反力向量，F为结构的外荷载向量，i为积分步数，N和E分别代表数值子结构和试验子结构，j为迭代轮次。
[0013]进一步地，在步骤四中，由式(1)可知，迭代混合试验方法在迭代过程中对第j轮次运动方程求解时，带入运动方程的试验子结构反力为j-1轮次加载得到的因此，将准确的数值带入运动方程，求解第j轮次的运动方程；
[0014]则第j轮次与第j-1轮次的第i步试验子结构反力差值为：
[0015][0016]假设试验子结构的真实数值模型为Y，其为试验子结构的速度、位移函数，将公式(2)改写为：
[0017][0018]式中：X
E
—试验子结构的速度向量、位移向量；
[0019]通过先验知识对Y进行合理假定，无论真实的试验子结构数值模型是什么类型，在进行假定时都将其等效为与真实模型对应的线性数值模型：
[0020]Y
′
＝γ
·
Y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]式中：Y
′
—假定的试验子结构数值模型，γ—模型精度系数；
[0022]式(4)中的γ为假定模型精度系数，该系数体现了假定的试验子结构数值模型与真实试验子结构数值模型整体意义上的近似度，0≤γ≤1；
[0023]在对试验子结构数值模型进行假定后，由式(2)得：
[0024][0025]式中：—假定的试验子结构数值模型计算的j轮与第j-1轮试验子结构反力差值；
[0026]由于假定的试验子结构数值模型是线性数值模型，公式(5)可改写为：
[0027][0028]式(6)可由上轮迭代得到，由本轮迭代逐步求解，Y
′
是人为假定的试验子结构数值模型，因此求解将带入式(1)得到：
[0029][0030]式(7)即为专利技术方法的运动方程，进而求解出当前轮次整体结构响应；
[0031]比较相邻两迭代轮次的试验子结构位移命令，对试验结果进行收敛性判断，若收敛，则试验结束，否则返回式(3)，重复式(3)至(5)的计算，直至试验完成。
[0032]进一步地，式(3)在进行数值计算和物理加载时，二者进行数据交互时发送的命令均为全时程。
[0033]进一步地，式(4)在对整体结构进行数值计算时，在逐步积分计算得到当前轮次、
当前步的速度和位移的同时，利用连续两轮相同步的速度和位移差值带入试验子结构线性模型中计算修正力的方式，对上轮次加载得到的试验子结构反力。
[0034]本专利技术的有益效果体现在：
[0035]1.专利技术的主要特征为通过迭代，将数值计算与迭代加载分离，避开了数值子结构计算效率问题，同时在对整体结构运动方程进行全时程求解时，利用试验子结构线性化数值模型对反力时程进行修正，以提高运动方程求解精度，从而提高迭代收敛效率。
[0036]2.迭代方法对实时混合试验中数值计算和物理加载进行分离，将混合试验每一积分步都要进行一次数据交互转变成全时程仅进行一次数据交互，从而避开了实时混合试验时滞问题。
[0037]3.通过迭代将原本每一积分步进行一次数据交互，转换全时程进行一次数据交互，不仅避开了数值部分计算效率问题，同时物理时滞也变成了纯延迟，通过简单的定时滞补偿即可完全消除时滞的影响。
[0038]4.为解决由于迭代导致的试验子结构反力与运动方程求解存在轮次不一致问题，通过建立试验子结构线性数值模型，利用连续两轮试验子结构位移、速度响应差计算修正力的方式降低轮次差带来的计算误差，提高运动方程的求解精度，该方法能够避开实时混合试验实时性问题，进而提高迭代收敛速度。
附图说明
[0039]图1非线性模型线性化力修正的新型迭代混合试验方法流程图；
[0040]图1中i、n为当前积分步与积分总步数，j为迭代轮次在每一迭代轮次次数；
[0041]图2为逐步积分力修正流程图；
[0042]图3非线性模型线性化力修正的新型迭代混合试验方法原理图。
具体实施方式
[0043]以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明：
[0044]具体实施方式一：将整体结构划分为数值子结构和试验子结构，并分别建立数值子结构数值模型和试验子结构线性数值模型；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，将整体结构划分为数值子结构和试验子结构，并分别建立数值子结构数值模型和试验子结构线性数值模型；步骤二，输入结构响应初值和外部激励，对整体结构进行全时程纯数值计算，得到试验子结构全时程位移、速度响应；步骤三，对试验子结构进行全时程伺服加载，得到试验子结构在对应位移、速度响应下的全时程反力响应；步骤四，进入下一轮，逐步积分求解本轮的试验子结构位移和速度响应，最终得到运动方程为：其中M
N
、C
N
、K
N
分别代表数值子结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，X
N
分别数值子结构的加速度向量、速度向量和位移向量，R
E
为试验子结构反力向量，F为结构的外荷载向量，i为积分步数，N和E分别代表数值子结构和试验子结构，j为迭代轮次。2.根据权利要求1所述的一种非线性模型线性化力修正迭代混合试验方法，其特征在于：在步骤四中，由式(1)可知，迭代混合试验方法在迭代过程中对第j轮次运动方程求解时，带入运动方程的试验子结构反力为j-1轮次加载得到的因此，将准确的数值带入运动方程，求解第j轮次的运动方程；则第j轮次与第j-1轮次的第i步试验子结构反力差值为：假设试验子结构的真实数值模型为Y，其为试验子结构的速度、位移函数，将公式(2)改写为：式中：X
E
—试验子结构的速度向量、位移向量；通过先验知识对Y进行合理假定，无论真实的试验子结构数值模型是什么类型，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，郑欢，王贞，孟丽岩，许国山，杨格，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：