基于多项式混沌展开的实时混合模拟不确定性评价方法研究

The real-time hybrid simulation is one of the most economical and effective methods for large-scale experiments in limited space. However, the testing results are affected by numerical simulation error and the dynamic characteristics of the actuator. Therefore, the reliability of the experimental results cannot be guaranteed. In view of the results are affected by many uncertain factors, this project regards the real-time hybrid simulation as uncertainty process, and proposes an uncertainty evaluation method based on polynomial chaos expansion to get the range of seismic response. Firstly, theoretical derivation is used to study the dynamic characteristics of the actuator when contains uncertainties using frequency domain evaluation index. The uncertainty analysis model for the dynamic characteristics of the actuator is established. Then, the numerical simulation is conducted to establish the polynomial chaos expansion model between the real-time hybrid simulation results and numerical model uncertainty parameters. Finally, the polynomial chaos expansion model between the results of real-time hybrid simulation and the uncertainty parameters is established through repeated experiments when the uncertainties for both numerical model and dynamic characteristics of the actuator are considered. Thus, the range of the structure responses under real earthquake can be obtained. This research opens up new ideas for the study of real-time hybrid simulation uncertainty and provides theoretical support for the application of real-time hybrid simulation in scientific research and engineering, which has great theoretical and practical significance.

实时混合模拟试验是有限空间内进行大尺度试验最经济和有效的方法之一,然而在试验中同时受到数值模型建模误差和作动器动力特性的影响，无法确保试验结果的可靠性。针对实时混合模拟试验同时受多种不确定性因素影响的问题，本项目拟提出基于多项式混沌展开的不确定性评价方法，从而得到结构在真实地震作用下的响应范围。首先，采用理论推导的方法研究频域评价指标描述不确定情况下作动器动力特性的方法，建立作动器动力特性的不确定性分析模型。其次，采用数值模拟方法，建立常时滞下实时混合模拟试验结果与数值模型不确定性参数的多项式混沌展开。最后，在同时考虑数值模型和作动器动力特性存在不确定性的条件下，建立实时混合模拟试验结果与不确定性参数之间的多项式混沌展开模型，从而得到结构在真实地震作用下的响应范围。本研究开拓了实时混合模拟不确定性研究的新思路，为实时混合模拟试验在科研和工程中的应用提供理论支撑，具有重大的理论和实际意义。

实时混合模拟试验是有限空间内进行大尺度试验最经济和有效的方法之一,然而在试验中同时受到数值模型建模误差和作动器动力特性的影响，无法确保试验结果的可靠性。针对实时混合模拟试验同时受多种不确定性因素影响的问题，本项目拟提出基于多项式混沌展开的不确定性评价方法，从而得到结构在真实地震作用下的响应范围。本研究采用多项式混沌展开（PCE）代理模型进行实时混合模拟中不确定性传播进行研究，分别针对时滞不确定性和地震动不确定性，提出了实际结构在地震下响应范围和PCE 替代模型的计算方法。同时采用基于代理模型的实时混合模拟方法和基于频域评价指标的自适应补偿方法，建立了基于PCE 的实时混合模拟试验结果精度控制方法，提高实时混合模拟试验结果的可靠性。目前发表SCI论文 3篇、EI论文3篇、发明专利2项。本研究首次将实时混合模拟试验视为不确定性过程，通过重复试验得到实际结构在地震下的响应范围，回归了实时混合模拟试验的根本目的，从而保证了实时混合模拟试验结果的可靠性，将会极大地促进实时混合模拟试验技术在土木工程中的应用。此外，本项目提出的基于代理模型的实时混合模拟方法和基于频域评价指标的自适应补偿方法，可以实现高精度、高可靠性的实时混合模拟实验。