子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的數(shù)值穩(wěn)定性分析.pdf

1、子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是物理加載與數(shù)值模擬相互偶聯(lián)的混合試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法將結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行物理加載，而結(jié)構(gòu)的其余部分作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型予以模擬。子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在模型比例、試驗(yàn)成本上比地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及擬動(dòng)力試驗(yàn)更具優(yōu)勢(shì)。特別是最新發(fā)展起來(lái)的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)更是結(jié)合了幾種傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)。子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法更能順應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求，工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展也使其具有了更廣闊的發(fā)展前景。
　　

2、目前子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)尚處于發(fā)展階段，其研究和應(yīng)用主要集中在相對(duì)簡(jiǎn)單的小型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。為了滿足日益大型化、復(fù)雜化的工程結(jié)構(gòu)的要求，同時(shí)也為了使子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性，并取得了一定的研究成果。本文針對(duì)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)穩(wěn)定性的若干問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）針對(duì)單自由度結(jié)構(gòu)，研究了當(dāng)試件為有阻尼動(dòng)力子結(jié)構(gòu)時(shí)，實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心差分法的穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)與數(shù)值子結(jié)

3、構(gòu)的質(zhì)量比大于或等于1時(shí)，算法為無(wú)條件不穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量比小于1時(shí)，算法為有條件穩(wěn)定，此結(jié)論與試件為純質(zhì)量時(shí)的結(jié)論一致。但對(duì)于相同的質(zhì)量比，有阻尼動(dòng)力子結(jié)構(gòu)試件的穩(wěn)定界限比純質(zhì)量試件的穩(wěn)定界限小，且穩(wěn)定界限隨著試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)阻尼比的增加而減小。此外，算法的穩(wěn)定界限不受頻率比和數(shù)值子結(jié)構(gòu)阻尼比的影響。本文還對(duì)純質(zhì)量試件的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)零穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了純質(zhì)量試件的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心差分法穩(wěn)定性的理論研究結(jié)果。
　?。?）

4、以兩自由度結(jié)構(gòu)為例，研究了試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)與數(shù)值子結(jié)構(gòu)不共用自由度時(shí)，考慮試件質(zhì)量的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心差分法的穩(wěn)定性。分別考慮了運(yùn)動(dòng)控制法，力控制串行法和力控制并行法三種試驗(yàn)方法。研究表明，算法的穩(wěn)定界限都隨著上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比的增加而減小，隨著上層結(jié)構(gòu)阻尼比的增加而增大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻尼比為0時(shí)，三種方法都是無(wú)條件不穩(wěn)定的。對(duì)于上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比和頻率比都較小，或下層結(jié)構(gòu)阻尼比較大的結(jié)構(gòu)，力控制法的穩(wěn)定界限比運(yùn)動(dòng)控制法大

5、，尤其是力控制串行法，其穩(wěn)定界限甚至可超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中心差分法的穩(wěn)定界限。
　?。?）利用非線性穩(wěn)定理論，研究了平均加速度法與隱式中點(diǎn)法對(duì)非線性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，對(duì)于耗散的非線性結(jié)構(gòu)，隱式中點(diǎn)法是無(wú)條件穩(wěn)定的，而平均加速度法有可能不穩(wěn)定。提出了基于隱式中點(diǎn)法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等效力控制方法，并將隱式中點(diǎn)法用于三層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)足尺模型的擬動(dòng)力試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了由MTS液壓伺服系統(tǒng)的Flex Test GT控制器獨(dú)立完成四個(gè)目標(biāo)位移的同

6、時(shí)計(jì)算及四個(gè)作動(dòng)器的同時(shí)控制的擬動(dòng)力試驗(yàn)。采用中心差分法與隱式中點(diǎn)法的試驗(yàn)結(jié)果表明，隱式中點(diǎn)法具有更好的穩(wěn)定性。
　?。?）結(jié)合逐步積分算法研究了時(shí)滯對(duì)試驗(yàn)穩(wěn)定性的影響。研究表明：對(duì)于考慮時(shí)滯的子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，采用隱式中點(diǎn)法可以提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性，而采用中心差分法則會(huì)降低試驗(yàn)的穩(wěn)定性。因此，一方面可以肯定結(jié)合逐步積分算法分析時(shí)滯影響的必要性，另一方面證明了隱式中點(diǎn)法具有良好的穩(wěn)定性。本文還提出了作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)位移滯后于期望位移的時(shí)間間隔的計(jì)