一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法，其解决了现有技术中含芯橡胶支座水平剪切试验中难以实现同时获取支座力学性能参数及其温度场的难题，从而可以构建出反应支座热力耦合效应的孪生模型并实施性能评估分析

【技术实现步骤摘要】
一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及土木工程结构隔震
，特别是一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法
。

技术介绍

[0002]隔震技术是目前建筑抗震领域的热门方向，在国内外其推广应用逐年增加，其中含耗能芯材橡胶支座是目前被广泛接受并应用的隔震装置
。
然而，在快速水平往复剪切过程中，支座内的芯材将发生塑性变形，产生热量，热量在支座内部传递
。
同时，含芯橡胶支座的主要材料，橡胶与金属耗能芯材，其力学本构关系是温度敏感型的
。
因此，支座剪切过程产生的热能将改变支座的力学性能，而变化的力学性能反过来又会影响剪切过程的热能输出，橡胶支座内部温度场与力学参数之间存在强烈的热力耦合效应
。
现有技术中，橡胶支座水平往复剪切试验是相对成熟的，可以较为方便的得到其力
‑
变形关系，但无法实现对内部温度场的实时监测，因而难以建立实时力
‑
变形
‑
温度场，从而进行热力耦合影响分析
。
[0003]因此，目前尚缺乏一种可行的研究方法来构建含芯橡胶支座温度场与力学性能参数之间耦合关系的热力耦合孪生数值模型
。

技术实现思路

[0004]针对现有的研究方法空白，本专利技术提供一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法，所得热力耦合效应孪生模型可揭示地震作用下含芯橡胶支座力学性能与温度场之间的耦合关系
。r/>[0005]本专利技术技术方案：
[0006]一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法，特征在于：
[0007]一
、
构建试验平台；
[0008]二
、
实施工作步骤
。
[0009]第一部分试验平台包括含芯橡胶支座
、
加热设备
、
循坏剪切试验装置
、
采集系统
、
计算机，其中，加热设备
、
采集系统布设于含芯橡胶支座内外，循坏剪切试验装置作用于含芯橡胶支座上，三者与计算机连接；计算机软件的运行用于管理和实施第二部分工作步骤
。
[0010]所述含芯橡胶支座，选择典型含芯橡胶支座作为试验对象
。
[0011]所述加热设备为已有常规设备，对橡胶支座试件的芯材进行加热升温
。
具体的，加热设备可以为加热棒，通过电源为加热棒提供热源
。
[0012]所述采集系统包括采用接触测温设备，具体为测温片和测温棒，对特定边界条件的含芯橡胶支座内外温度场进行全过程温度采集
。
[0013]所述采集系统包括采用非接触测温设备，具体为红外热像仪，对特定边界条件的含芯橡胶支座表面温度场进行全过程温度采集
。
[0014]所述采集系统还包括相机
、
力传感器，利用相机视觉测量支座实时竖向与水平变形，借用力传感器实时监测支座竖向轴力与水平剪切力
。
[0015]采用非接触式测温设备
(
红外热像仪
)
监测支座表面温度信号，采用接触式测温设备
(
测温棒
、
测温片等热电阻装置
)
监测支座内外温度信号，其中测温棒插入支座预加工的测温孔内，测温片安装在支座表面，最后将所有温度信号传输至计算机进行数据汇总，从而完成试验全过程数据采集
。
[0016]所述含芯橡胶支座硫化生产前内部预埋了测温芯片，同时从含芯橡胶支座表面开延伸至内部的细孔，用于测温棒的嵌入
。
[0017]在软件方面，在计算机的控制和管理下，并通过对含芯橡胶支座在模拟实际地震作用下热能输出的准确计算，计算机进行了试验分析与数值模拟，可以实现对地震作用下支座温度场分布规律的合理再现
。
[0018]在软件方面，计算机采用验证后的温度场孪生模型再现支座芯材生热过程中温度场传递规律，并基于孪生模型进行大量的工况运算
。
[0019]在软件方面，计算机在最低限度下依靠红外装置监测支座外表面温度，结合温度场预测模型可实现对支座整体内外温度场的预测
。
[0020]在软件方面，计算机构建含芯橡胶支座快速剪切状态下温度场与力学性能耦合关系的热力耦合孪生模型，评估支座在地震作用下的力学性能
。
[0021]第二部分实施步骤具体如下：
[0022]一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法，特征在于：
[0023]步骤一：计算含芯橡胶支座热量输出
[0024]选择典型含芯橡胶支座作为试验对象，基于所选支座的尺寸参数与芯材剪切性能参数，计算在预估地震作用下的能量消耗，将其转化为总热能，再根据选用的加热设备参数确定输出功率与加热时长
。
[0025]步骤二：实施静态升温试验
[0026]对橡胶支座试件的芯材进行加热升温，采用接触与非接触测温设备对含芯橡胶支座内外温度场进行全过程温度采集，计算机对采集系统的数据进行汇总，从而得到出不同工况下的支座温度场分布
。
[0027]步骤三：建立温度场孪生数值模型
[0028]结合制造商提供的原材料热力学参数，建立铅芯橡胶支座的温度场孪生数值模型，通过与试验结果的对比与标定，对孪生数值模型进行验证
。
[0029]步骤四：建立橡胶支座温度场预测模型
[0030]在步骤三得到温度场孪生数值模型后，以支座的尺寸参数
d
i
、
剪切频率
f、
剪切应变
γ
及剪切重要持时
t
为变量，计算机通过温度场孪生数值模型模拟计算得到各工况的支座温度场分布，在获取大量数据样本后，结合机器学习中成熟的基于开源
keras
学习库的神经网络回归模型
(Regression)
，建立橡胶支座温度场预测模型，模型的函数形式如下所示
[0031](T
E
,T
I
)
＝
R(f,t,
γ
,d
i
)(1)
[0032]式中，
d
i
、f、
γ
、t
均作为预测模型的输入参数，支座外表面温度场
T
E
和支座内部温度场
T
I
作为预测模型的输出结果，
R
为神经网络回归模型
。
[0033]步骤五：实施含芯橡胶支座快速剪切热力耦合试验
[0034]经由计算机控制，循坏剪切试验装置按照一定的加载频率
f
和剪切应变
γ
对支座进行快速循坏剪切试验，使内部芯材通过滞回生热，温度由芯材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种含耗能芯材橡胶支座热力耦合孪生模型的构建方法，其特征在于，包括两部分：第一部分
、
构建试验平台；第二部分
、
实施工作步骤
。2.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一部分：试验平台包括含芯橡胶支座
、
加热设备
、
循坏剪切试验装置
、
采集系统
、
计算机，其中，加热设备
、
采集系统布设于含芯橡胶支座内外，循坏剪切试验装置作用于含芯橡胶支座上，三者与计算机连接；计算机软件的运行用于管理和实施第二部分工作步骤
。3.
如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述含芯橡胶支座，从含芯橡胶支座表面开延伸至内部的细孔，用于测温棒的嵌入；所述加热设备，对橡胶支座试件的芯材进行加热升温；所述采集系统包括：采用接触测温设备，具体为测温片和测温棒，对特定边界条件的含芯橡胶支座内外温度场进行全过程温度采集；采用非接触测温设备，具体为红外热像仪，对特定边界条件的含芯橡胶支座表面温度场进行全过程温度采集；还包括相机
、
力传感器，利用相机视觉测量支座实时竖向与水平变形，借用力传感器实时监测支座竖向轴力与水平剪切力；采用非接触式测温设备监测支座表面温度信号，采用接触式测温设备监测支座内外温度信号，其中测温棒插入支座预加工的测温孔内，测温片安装在支座表面，最后将所有温度信号传输至计算机进行数据汇总，从而完成试验全过程数据采集
。4.
如权利要求2所述的方法，其特征在于，在软件方面，在计算机的控制和管理下，并通过对含芯橡胶支座在模拟实际地震作用下热能输出的准确计算，计算机进行了试验分析与数值模拟，实现对地震作用下支座温度场分布规律的合理再现；计算机采用验证后的温度场孪生模型再现支座芯材生热过程中温度场传递规律，并基于孪生模型进行大量的工况运算；计算机在最低限度下依靠红外装置监测支座外表面温度，结合温度场预测模型实现对支座整体内外温度场的预测；计算机构建含芯橡胶支座快速剪切状态下温度场与力学性能耦合关系的热力耦合孪生模型，评估支座在地震作用下的力学性能
。5.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分实施步骤具体如下：步骤一：计算含芯橡胶支座热量输出选择典型含芯橡胶支座作为试验对象，基于所选支座的尺寸参数与芯材剪切性能参数，计算在预估地震作用下的能量消耗，将其转化为总热能，再根据选用的加热设备参数确定输出功率与加热时长；步骤二：实施静态升温试验对橡胶支座试件的芯材进行加热升温，采用接触与非接触测温设备对含芯橡胶支座内外温度场进行全过程温度采集，计算机对采集系统的数据进行汇总，从而得到出不同工况下的支座温度场分布；步骤三：建立温度场孪生数值模型结合制造商提供的原材料热力学参数，建立铅芯橡胶支座的温度场孪生数值模型，通过与试验结果的对比与标定，对孪生数值模型进行验证；步骤四：建立橡胶支座温度场预测模型
在步骤三得到温度场孪生数值模型后，以支座的尺寸参数
d
i
、
剪切频率
f、
剪切应变
γ
及剪切重要持时
t
为变量，计算机通过温度场孪生数值模型模拟计算得到各工况的支座温度场分布，在获取大量数据样本后，结合机器学习中成熟的基于开源
keras
学习库的神经网络回归模型，建立橡胶支座温度场预测模型，模型的函数形式如下所示
(T
E
,T
I
)
＝
R(f,t,
γ
,d
i
)(1)
式中，
d
i
、f、
γ
、t
均作为预测模型的输入参数，支座外表面温度场
T
E
和支座内部温度场
T
I
作为预测模型的输出结果，
R
为神经网络回归模型；步骤五：实施含芯橡胶支座快速剪切热力耦合试验经由计算机控制，循坏剪切试验装置按照一定的加载频率

【专利技术属性】
技术研发人员：薛斌，任祥香，卢文胜，杨旭，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：