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地震模拟振动台子结构实验方法数值模拟

作　者: 李海洋
导　师: 田石柱
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 地震模拟振动台子结构实验数值算法滞后
分类号: P315.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

振动台实验作为一种实时动力实验,能够真实再现结构在地震荷载下的反应。但由于振动台的尺寸和承载力的限制,实验模型比例尺一般情况下很小,尺寸效应明显。为此,将子结构实验技术引入振动台实验,以提高实验试件的比例尺。此外,通过子结构实验技术,可只对结构非线性显著部分进行真实实验,而对线性部分进行数值计算,这样可以降低实验费用。本文通过对一个三层结构进行振动台子结构实验的数值仿真,分析了多自由度体系振动台子结构实验的特点,并对振动台子结构实验的数值积分算法、实验系统时间滞后及其补偿进行了研究。主要内容包括:1.推导多自由体系子结构运动方程,并对子结构实验进行统一表述;2.分析了振动台子结构实验数值积分算法的特点,通过数值仿真对中央差分算法和算子分解法进行了对比。分析结果表明:在不计系统滞后并且积分步长较小的情况下,中央差分法和算子分解法的子结构仿真结果(对应于振动台子结构实验)能够与整体结构的仿真结果(对应于整体结构振动台实验)很好吻合。随着积分步长的增加,算子分解法的精度要好于中央差分法;3.分析了振动台子结构实验产生滞后的原因。假设实验用反力作动器的滞后为双线性模型,并采用多项式外插值对滞后进行补偿。分析结果表明:在整体结构周期较小时,振动台子结构实验对滞后比较敏感。而频率较低的结构的实验效果较好。三阶多项式外插补偿效果明显,补偿后系统的稳定性和精度基本能够达到没有滞后时的理想状态。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-18
  1.1 课题背景和意义  7-8
  1.2 地震模拟振动台的研究与应用  8-15
    1.2.1 地震模拟振动台的早期发展  8
    1.2.2 地震模拟振动台的快速发展阶段  8-11
    1.2.3 地震模拟振动台的分类  11-12
    1.2.4 电液伺服地震模拟振动台的基本组成  12-14
    1.2.5 电液伺服地震模拟振动台的基本工作原理  14-15
  1.3 地震模拟振动台子结构混合实验介绍  15-16
    1.3.1 子结构实验方法  15-16
    1.3.2 地震模拟振动台子结构实验方法  16
  1.4 本文的研究内容  16-18
第2章多自由度体系的子结构实验  18-28
  2.1 前言  18
  2.2 子结构边界自由度的质量划分  18-19
  2.3 子结构实验边界条件模拟  19-21
    2.3.1 物理子结构边界加载方式  19-20
    2.3.2 物理子结构边界条件模拟  20-21
  2.4 多自由度子结构实验的动力方程  21-27
    2.4.1 子结构的运动方程  22-25
    2.4.2 子结构实验的统一表述  25-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章振动台子结构实验的数值仿真  28-52
  3.1 前言  28
  3.2 振动台子结构实验数值仿真介绍  28-30
    3.2.1 振动台子结构真实实验时的流程图  29
    3.2.2 振动台子结构实验仿真程序框图  29-30
  3.3 振动台子结构实验数值算法及其特点  30-32
    3.3.1 数值积分算法隐式和显式的概念  31
    3.3.2 数值积分算法的补充假定  31-32
  3.4 不同数值积分算法的仿真对比分析  32-50
    3.4.1 中央差分法  34-43
    3.4.2 算子分解法  43-50
  3.5 本章小结  50-52
第4章振动台子结构实验时滞及其补偿  52-65
  4.1 前言  52
  4.2 振动台子结构实验时滞原因  52-55
  4.3 反力作动器的动力特性  55-56
  4.4 作动器的双线性模型  56-57
  4.5 振动台子结构实验的作动器滞后模拟  57-59
  4.6 振动台子结构实验的时滞补偿  59-63
    4.6.1 多项式外插时滞补偿的基本原理  60-61
    4.6.2 时滞补偿的仿真  61-63
  4.7 本章小结  63-65
结论  65-66
参考文献  66-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-72
致谢  72

地震模拟振动台子结构实验方法数值模拟

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