实时混合模拟试验方法研究与软件开发

摘要

实时混合模拟是一种在拟动力试验基础上发展起来的结构动力试验方法，能够在足尺条件下反映构件或结构的动力特性。在试验中，计算机和加载器需要实时传递信息以达到同步工作，因此对软硬件均有很高的要求。鉴于现有的计算软件或平台存在局限，本文在MATLAB环境下采用GUI图形用户界面开发与设计了一款用于实时混合模拟试验的软件(Full Simulation of Real-time Hybrid Test，简称FSRTHT)，并进行了数值模拟对比和试验研究。主要的研究工作及相应结论如下:
　　(1)实时混合模拟试验软件FSRTHT的开发。FSRTHT软件将有限元部分编入流程控制中，有限元部分和流程模型兼容性更好。软件具有形象生动、交互友善、操控灵活的用户界面，可以实现可视化建模与结果分析，方便用户了解和完成实时混合试验整个流程。用户可以按照实时混合模拟试验的流程在操作界面中定义和设置各部分参数，最终各个模块会被封装集成到Simulink环境下运行，可以实现实时混合模拟的整个流程，包括地震波输入、数值子结构建模、积分计算、时滞补偿及评价等。
　　(2) FSRTHT软件的有限元模拟能力验证。采用FSRTHT软件和OpenSEES对平面杆件模型和空间杆件模型进行有限元建模，输入地震波进行动力时程分析。当两种软件都采用弹性杆件单元建模时，得到的计算结果高度一致。采用弹塑性单元建模时，计算结果有少量差异，但总体上接近。两种软件中不同积分算法的计算结果对比表明，当步长较大时，各算法的计算结果有显著差异;步长非常小时，各算法的计算结果均收敛于准确解。FSRTHT软件有着比OpenSEES更快的计算速度，更适合于实时混合模拟试验。
　　(3)FSRTHT软件在实时混合模拟试验中应用。采用FSRTHT软件和实验室的MTS液压伺服作动器系统，对平面模型和空间模型进行实时混合模拟试验。平面模型以橡胶支座为试验子结构，采用单作动器位移控制。空间模型以型钢柱为试验子结构，采用双作动器位移控制。虚拟试验与实验室试验的结果基本一致，表明FSRTHT软件具有对平面或空间模型进行实时混合模拟试验的能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状及存在的问题

1．2．1 实时混合模拟试验基本原理

1．2．2 实时混合模拟试验积分算法

1．2．3 实时混合模拟试验时滞补偿

1．2．4 实时混合模拟试验误差评价方法

1．2．5 存在的问题

1．3 本文的主要内容

2．1 引言

2．2 基于MATLAB开发软件的优势

2．3 软件有限元模块的基本原理

2．3．1 质量矩阵

2．3．2 阻尼矩阵

2．3．3 弹性单元刚度矩阵

2．3．4 弹塑性单元模型

2．3．5 弹塑性材料的恢复力模型

2．4 软件各模块的GUI设计与流程整合

2．4．1 地震波输入

2．4．2 数值子结构建模

2．4．3 位移补偿

2．4．4 虚拟作动器特性参数设置

2．4．5 虚拟试验子结构恢复力模型设置

2．4．6 反馈力补偿

2．4．7 流程控制

2．4．8 结果显示

2．4．9 误差评价

2．5 本章小结

第三章 FSRTHT与OpenSEES的有限元模拟对比

3．1 引言

3．2 平面框架的有限元模拟

3．2．1 有限元模型

3．2．2 弹性动力时程分析

3．2．3 弹塑性动力时程分析

3．3 空间框架的有限元模拟

3．3．1 有限元模型

3．3．2 弹性动力时程分析

3．3．3 不同积分算法的比较

3．4 本章小结

第四章 基于FSRTHT的二维实时混合模拟试验

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 结构模型

4．2．2 实时混合模拟试验设备

4．2．3 试验子结构边界条件

4．3 试验方案与结果分析

4．3．1 低周反复试验

4．3．2 虚拟实时混合模拟试验

4．3．3 实验室实时混合模拟试验

4．3．4 试验结果分析

4．4 本章小结

第五章 基于FSRTHT的空间实时混合模拟试验

5．1 引言

5．2 试验概况

5．2．1 结构模型

5．2．2 模型简化与试验子结构边界条件

5．3 试验方案与结果分析

5．3．1 双作动器耦合影响验证试验

5．3．2 虚拟实时混合模拟试验

5．3．3 实验室实时混合模拟试验

5．3．4 试验结果分析

5．4 本章小结

6．1 研究总结

6．1．1 FSRTHT软件的优势与特点

6．1．2 FSRTHT软件的有限元模拟能力

6．1．3 FSRTHT软件在实时混合模拟试验中应用

6．2 研究展望

致谢

参考文献

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