地震作用下多自由度结构拟动力实验方法研究

摘要

拟动力实验(也称联机实验)是研究结构或构件抗震性能的一种实验技术，它将地震作用离散为一组以时间间隔的地震加速度波形，通过计算机求解结构动力运动方程计算其动力反应，应用伺服液压设备帮助结构完成在地震作用下的模拟振动。该方法直接测量结构恢复力，不需要预先估计模型的刚度与恢复力特性，可以更加精确地研究非线性结构的抗震性能。 本文研究了多自由度结构拟动力实验中计算结构动力反应的三种数值积分方法：中央差分法、双β参数法和隐式α-C方法，编写了多自由度拟动力实验的计算机模拟程序，利用所编程序模拟了已知结构模型的振动反应，讨论了数值积分时间间隔对结构振动周期的影响。模拟结果表明：隐式算法α-C方法可以较好地消除因累积误差而激励的结构伪高频振动分量；利用模拟程序选择适当的数值积分时间间隔可以提高拟动力实验结构振动的准确度；对于刚度较大的结构，由于系统误差和结构特性的原因，在地震作用初期容易出现较大的振动反应而导致振动发散，因此拟动力实验不适用于刚度较大的结构。 本文结合现有的实验系统，提出了用于加载控制的逐步逼近加载方法，用拉格朗日多项式进行预估计和插值，以保证结构多点同步加载的稳定性与连续性，并将程序计算与加载控制密切联系起来，合理有效地安排计算机内存空间。 设计了多自由度拟动力实验联机系统的硬件组成与软件控制各模块功能，将联机系统中的计算程序作为子程序与主控制程序相独立，便于算法的更新和主程序的维护。

目录

文摘

英文文摘

声明及关于论文使用授权的说明

1.绪论

1.1概述

1.1.1国内外研究现状

1.1.2课题状况

1.2拟动力实验基本原理与实现

1.3多自由度与等效单自由度拟动力实验

1.4论文的主要研究内容和意义

1.4.1主要研究内容

1.4.2论文的意义

2.拟动力联机实验系统与设备

2.1电液伺服程控结构试验机系统

2.2主控计算机

2.3数据采集仪器

2.4图形处理与显示

2.5需要解决的问题

3.拟动力实验的数值积分方法

3.1中央差分法

3.1.1中央差分法的计算原理

3.1.2中央差分法的稳定条件

3.2双β参数法

3.2.1双β参数法的计算原理

3.2.2双β参数法的稳定性

3.3隐式α-C方法

3.3.1 α-C算法

3.3.2 α-C方法的稳定性

3.3.3 α-C方法的优点

3.4本章小结

4.实验控制技术

4.1开发拟动力实验控制软件的思路

4.1.1系统安全性

4.1.2软接口技术

4.1.3多点同步加载方法

4.1.4两个概念——内位移与外位移

4.1.5软件的通用性

4.2拟动力实验的控制方法

4.3逐步逼近加载法

4.3.1外推法

4.3.2内插法

4.4实验误差控制

4.4.1系统误差——数值积分时间间隔引起的误差

4.4.2实验误差

4.4.3不同积分方法的误差分析

5.计算机数值模拟实例

5.1算例1

5.1.1实验模型参数

5.1.2积分时间常数对结构振动反应的影响

5.1.3积分时间常数对结构自振周期的影响

5.2算例2

5.3算例3

5.3.1模型参数

5.3.2弹性状态下的模拟振动反应

5.3.3弹塑性状态下的模拟振动反应

6.联机系统控制软件结构

6.1主控制程序

6.1.1参数设置

6.1.2系统初始化模块

6.1.3加载控制模块

6.2数据处理程序(STDP)

6.3实时跟踪绘图程序

6.4后处理程序

7.结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况