Гистерезисные модели являются математическими моделями , способными моделировать сложное нелинейное поведение , характеризующее механические системы и материалы , используемые в различных областях техники, такие как аэрокосмическая , гражданские и механическая инженерия . Некоторые примеры механических систем и материалов, имеющих гистерезисное поведение:
- материалы, такие как сталь , железобетон , дерево ;
- конструктивные элементы, такие как стыки из стали, железобетона или дерева;
- устройства, такие как сейсмические изоляторы [1] и демпферы.
Гистерезисные модели могут иметь обобщенное смещение в качестве входной переменной и обобщенную силу в качестве выходной переменной или наоборот. В частности, в гистерезисных моделях, не зависящих от скорости, выходная переменная не зависит от скорости изменения входной. [2] [3]
Гистерезисные модели, не зависящие от скорости, можно разделить на четыре разные категории в зависимости от типа уравнения, которое необходимо решить для вычисления выходной переменной:
- Алгебраические модели;
- Трансцендентальные модели;
- Дифференциальные модели;
- Интегральные модели.
Алгебраические модели [ править ]
В алгебраических моделях выходная переменная вычисляется путем решения алгебраических уравнений .
Билинейная модель [ править ]
Формулировка модели [ править ]
В билинейной модели, сформулированной Vaiana et al. (2018), [4] обобщенная сила в момент времени t , представляющая выходную переменную, оценивается как функция обобщенного смещения следующим образом:
где и - три параметра модели, которые должны быть откалиброваны на основе экспериментальных или численных испытаний, тогда как - знак обобщенной скорости во времени , то есть . Кроме того, это внутренний параметр модели, оцениваемый как:
тогда как внутренняя переменная:
.
Формы петли гистерезиса [ править ]
На рисунке 1.1 показаны две различные формы петли гистерезиса, полученные путем применения синусоидального обобщенного смещения, имеющего единичную амплитуду и частоту, и смоделированного путем принятия параметров билинейной модели (BM), перечисленных в таблице 1.1.
а) | 10.0 | 1.0 | 0,5 |
(б) | 10.0 | -1,0 | 0,5 |
Код Matlab [ править ]
% ================================================= ========================================% Июнь 2020% Алгоритм билинейной модели% Николо Вайана, научный сотрудник в области структурной механики и динамики, доктор философии % Департамент строительства и архитектуры % Неаполитанский университет имени Федерико II% через Клаудио, 21 - 80124, Неаполь% ================================================= ========================================clc ; очистить все ; закрыть все ; %% ИСТОРИЯ ПРИЛОЖЕННОГО ВРЕМЕНИ СМЕЩЕНИЯdt = 0,001 ; %шаг времени t = 0 : dt : 1,50 ; %интервал времени а0 = 1 ; % приложенной амплитуды смещения fr = 1 ; % применяемой частоты смещения u = a0 * sin (( 2 * pi * fr ) * t ( 1 : длина ( t ))); % приложенного вектора смещения v = 2 * пи * фр * а0 * соз (( 2 * пи * фр ) * т ( 1 : длина ( т ))); % приложенного вектора скорости n = длина ( u ); % приложенной длины вектора смещения %% 1. НАЧАЛЬНЫЕ НАСТРОЙКИ% 1.1 Установите три параметра моделиka = 10,0 ; % параметр модели kb = 1.0 ; % параметр модели f0 = 0,5 ; % параметр модели % 1.2 Вычислить внутренние параметры модели u0 = f0 / ( ka - kb ); % внутренний параметр модели % 1.3 Инициализировать вектор обобщенной силыf = нули ( 1 , n ); %% 2. РАСЧЕТЫ НА КАЖДОМ ШАГЕдля i = 2 : n % 2.1 Обновить переменную историиuj = ( ka * u ( i - 1 ) + sign ( v ( i )) * f0 - f ( i - 1 )) / ( ka - kb ); % 2.2 Оцените обобщенную силу в момент времени tif ( sign ( v ( i )) * uj ) - 2 * u0 < sign ( v ( i )) * u ( i ) && sign ( v ( i )) * u ( i ) < sign ( v ( i )) * uj f ( i ) = ka * ( u ( i ) - uj ) + kb * uj + знак ( v ( i )) * f0 ; еще f ( i ) = kb * u ( i ) + sign ( v ( i )) * f0 ; конецконец%% УЧАСТОКфигураplot ( u , f , 'k' , 'linewidth' , 4 )set ( gca , ' Размер шрифта ' , 28 )set ( gca , 'FontName' , 'Times New Roman' )xlabel ( 'обобщенное смещение' ), ylabel ( 'обобщенная сила' ) сеткаувеличить выкл
Асимметричная билинейная модель [ править ]
Формулировка модели [ править ]
В асимметричной билинейной модели, сформулированной Vaiana et al. (2020), [3] обобщенная сила в момент времени t , представляющая выходную переменную, оценивается как функция обобщенного смещения следующим образом:
где и - три модельных параметра для общего случая нагружения (разгрузки), которые должны быть откалиброваны на основе экспериментальных или численных испытаний, тогда как - знак обобщенной скорости во времени , то есть . Кроме того, это внутренний параметр модели, оцениваемый как:
тогда как внутренняя переменная:
Код Matlab [ править ]
% ================================================= ========================================% Февраль 2021 г.% Асимметричный алгоритм билинейной модели% Николо Вайана, научный сотрудник в области структурной механики и динамики, доктор философии % Департамент строительства и архитектуры % Неаполитанский университет имени Федерико II% через Клаудио, 21 - 80124, Неаполь% ================================================= ========================================clc ; очистить все ; закрыть все ; %% ИСТОРИЯ ПРИЛОЖЕННОГО ВРЕМЕНИ СМЕЩЕНИЯdt = 0,001 ; %шаг времени t = 0 : dt : 1,50 ; %интервал времени а0 = 1 ; % приложенной амплитуды смещения fr = 1 ; % применяемой частоты смещения u = a0 * sin (( 2 * pi * fr ) * t ( 1 : длина ( t ))); % приложенного вектора смещения v = 2 * пи * фр * а0 * соз (( 2 * пи * фр ) * т ( 1 : длина ( т ))); % приложенного вектора скорости n = длина ( u ); % приложенной длины вектора смещения %% 1. НАЧАЛЬНЫЕ НАСТРОЙКИ% 1.1 Установите шесть параметров моделикап = 5,0 ; % параметр модели kbp = 0,5 ; % параметр модели f0p = 0,75 ; % параметр модели кам = 15,0 ; % параметр модели kbm = 0,1 ; % параметр модели f0m = 0,25 ; % параметр модели % 1.2 Инициализировать вектор обобщенной силыf = нули ( 1 , n ); %% 2. РАСЧЕТЫ НА КАЖДОМ ШАГЕдля i = 2 : n % 2.1 Обновите параметры модели, переменную истории и внутренний параметр моделиесли v ( i ) > 0 ка = кап ; kb = kbp ; f0 = f0p ; еще ка = кам ; kb = kbm ; f0 = f0m ; конецuj = ( ka * u ( i - 1 ) + sign ( v ( i )) * f0 - f ( i - 1 )) / ( ka - kb ); если v ( i ) > 0 и0 = (( т.п.н. - KBM ) * Uj + f0p + f0m ) / ( 2 * ( кап - KBM )); еще и0 = (( т.п.н. - KBM ) * Uj + f0p + f0m ) / ( 2 * ( Kam - т.п.н. )); конец% 2.2 Оцените обобщенную силу в момент времени tif ( sign ( v ( i )) * uj ) - 2 * u0 < sign ( v ( i )) * u ( i ) && sign ( v ( i )) * u ( i ) < sign ( v ( i )) * uj f ( i ) = ka * ( u ( i ) - uj ) + kb * uj + знак ( v ( i )) * f0 ; еще f ( i ) = kb * u ( i ) + sign ( v ( i )) * f0 ; конецконец%% УЧАСТОКфигураplot ( u , f , 'k' , 'linewidth' , 4 )set ( gca , ' Размер шрифта ' , 28 )set ( gca , 'FontName' , 'Times New Roman' )xlabel ( 'обобщенное смещение' ), ylabel ( 'обобщенная сила' ) сеткаувеличить выкл
Анимация [ править ]
На следующем гифке показан нелинейный отклик механической системы с одной степенью свободы (SDOF) с единичной массой и асимметричным гистерезисным поведением, не зависящим от скорости, на воздействие внешней случайной силы. Для того, чтобы смоделировать свой ответ, были использованы следующие параметры ABM: .
Алгебраическая модель Vaiana et al. (2019) [ править ]
Формулировка модели [ править ]
В алгебраической модели, разработанной Vaiana et al. (2019), [5] обобщенная сила в момент времени , представляющая выходную переменную, оценивается как функция обобщенного смещения следующим образом:
где , и - пять параметров модели, которые должны быть откалиброваны на основе экспериментальных или численных испытаний, тогда как - знак обобщенной скорости во времени , то есть ,. Кроме того, и являются двумя внутренними параметрами модели, оцениваемыми как:
тогда как внутренняя переменная:
Формы петли гистерезиса [ править ]
На рисунке 1.2 показаны четыре различные формы петли гистерезиса, полученные путем применения синусоидального обобщенного смещения, имеющего единичную амплитуду и частоту и смоделированного путем принятия параметров алгебраической модели (AM), перечисленных в таблице 1.2.
а) | 10.0 | 1.0 | 10.0 | 0,0 | 0,0 |
(б) | 10.0 | 1.0 | 10.0 | 0,2 | 0,2 |
(c) | 10.0 | 1.0 | 10.0 | -0,2 | -0,2 |
(г) | 10.0 | 1.0 | 10.0 | −1,2 | 1.2 |
Код Matlab [ править ]
% ================================================= ========================================% Сентябрь 2019 г.% Алгоритм алгебраической модели% Николо Вайана, научный сотрудник, доктор философии % Департамент строительства и архитектуры % Неаполитанский университет имени Федерико II% через Клаудио, 21 - 80125, Неаполь% ================================================= ========================================clc ; очистить все ; закрыть все ; %% ИСТОРИЯ ПРИЛОЖЕННОГО ВРЕМЕНИ СМЕЩЕНИЯdt = 0,001 ; %шаг времени t = 0 : dt : 1,50 ; %интервал времени а0 = 1 ; % приложенной амплитуды смещения fr = 1 ; % применяемой частоты смещения u = a0 * sin (( 2 * pi * fr ) * t ( 1 : длина ( t ))); % приложенного вектора смещения v = 2 * пи * фр * а0 * соз (( 2 * пи * фр ) * т ( 1 : длина ( т ))); % приложенного вектора скорости n = длина ( u ); % приложенной длины вектора смещения %% 1. НАЧАЛЬНЫЕ НАСТРОЙКИ% 1.1 Установите пять параметров моделиka = 10,0 ; % параметр модели kb = 1.0 ; % параметр модели альфа = 10,0 ; % параметр модели бета1 = 0,0 ; % параметр модели бета2 = 0,0 ; % параметр модели % 1.2 Вычислить внутренние параметры модели u0 = ( 1 / 2 ) * (((( ка - кб ) / 10 ^ - 20 ) ^ ( 1 / альфа )) - 1 ); % внутренний параметр модели f0 = (( ka - kb ) / 2 ) * (((( 1 + 2 * u0 ) ^ ( 1 - alfa )) - 1 ) / ( 1 - alfa )); % внутренний параметр модели % 1.3 Инициализировать вектор обобщенной силыf = нули ( 1 , n ); %% 2. РАСЧЕТЫ НА КАЖДОМ ШАГЕдля i = 2 : n % 2.1 Обновить переменную историиuj = u ( i - 1 ) + sign ( v ( i )) * ( 1 + 2 * u0 ) - sign ( v ( i )) * (((( sign ( v ( i )) * ( 1 - alfa )) ) / ( ка - kb )) * ( f ( i - 1 ) - beta1 * u ( i - 1 ) ^ 3 - beta2 * u ( i - 1 ) ^ 5 - kb * u ( i - 1 ) - sign ( v ( i )) * f0 + ( ka - kb ) * ((( 1 + 2 * u0 ) ^ ( 1 - альфа ))/ ( знак ( v ( i )) * ( 1 - альфа ))))) ^ ( 1 / ( 1 - альфа )));% 2.2 Оцените обобщенную силу в момент времени tif ( sign ( v ( i )) * uj ) - 2 * u0 < sign ( v ( i )) * u ( i ) || знак ( v ( i )) * u ( i ) < sign ( v ( i )) * uj f ( i ) = beta1 * u ( i ) ^ 3 + beta2 * u ( i ) ^ 5 + kb * u ( i ) + ( ka - kb ) * (((( 1 + 2 * u0 + знак ( v ( i )) * ( u ( i ) - uj )) ^ ( 1 - альфа )) / ( знак ( v ( i )) * ( 1 - альфа ))) - ((( 1 + 2 * u0 ) ^ ( 1 - альфа )) / ( знак ( v ( i )) * ( 1 - альфа )))) + знак ( v ( i )) * f0 ;еще f ( i ) = beta1 * u ( i ) ^ 3 + beta2 * u ( i ) ^ 5 + kb * u ( i ) + sign ( v ( i )) * f0 ; конецконец%% УЧАСТОКфигураplot ( u , f , 'k' , 'linewidth' , 4 ) set ( gca , ' Размер шрифта ' , 28 ) set ( gca , 'FontName' , 'Times New Roman' ) xlabel ( 'обобщенное смещение' ), ylabel ( 'обобщенная сила' ) сеткаувеличить выкл
Трансцендентальные модели [ править ]
В трансцендентных моделях выходная переменная вычисляется путем решения трансцендентных уравнений , а именно уравнений, включающих тригонометрические , обратные тригонометрические , экспоненциальные , логарифмические и / или гиперболические функции.
Экспоненциальные модели [ править ]
Экспоненциальная модель Vaiana et al. (2018) [ править ]
Формулировка модели [ править ]
В экспоненциальной модели, разработанной Vaiana et al. (2018), [4] обобщенная сила во время , представляющая выходную переменную, оценивается как функция обобщенного смещения следующим образом:
где и - четыре параметра модели, которые должны быть откалиброваны на основе экспериментальных или численных испытаний, тогда как - знак обобщенной скорости во времени , то есть . Кроме того, и являются двумя внутренними параметрами модели, оцениваемыми как:
тогда как внутренняя переменная:
Формы петли гистерезиса [ править ]
На рисунке 2.1 показаны четыре различных формы петли гистерезиса, полученные путем применения синусоидального обобщенного смещения с единичной амплитудой и частотой и смоделированного с помощью параметров экспоненциальной модели (EM), перечисленных в таблице 2.1.
а) | 5.0 | 0,5 | 5.0 | 0,0 |
(б) | 5.0 | −0,5 | 5.0 | 0,0 |
(c) | 5.0 | 0,5 | 5.0 | 1.0 |
(г) | 5.0 | 0,5 | 5.0 | −1,0 |
Код Matlab [ править ]
% ================================================= ========================================% Сентябрь 2019 г.% Алгоритм экспоненциальной модели% Николо Вайана, научный сотрудник, доктор философии % Департамент строительства и архитектуры % Неаполитанский университет имени Федерико II% через Клаудио, 21 - 80125, Неаполь% ================================================= ========================================clc ; очистить все ; закрыть все ; %% ИСТОРИЯ ПРИЛОЖЕННОГО ВРЕМЕНИ СМЕЩЕНИЯdt = 0,001 ; %шаг времени t = 0 : dt : 1,50 ; %интервал времени а0 = 1 ; % приложенной амплитуды смещения fr = 1 ; % применяемой частоты смещения u = a0 * sin (( 2 * pi * fr ) * t ( 1 : длина ( t ))); % приложенного вектора смещения v = 2 * пи * фр * а0 * соз (( 2 * пи * фр ) * т ( 1 : длина ( т ))); % приложенного вектора скорости n = длина ( u ); % приложенной длины вектора смещения %% 1. НАЧАЛЬНЫЕ НАСТРОЙКИ% 1.1 Установите четыре параметра моделиka = 5,0 ; % параметр модели kb = 0,5 ; % параметр модели альфа = 5,0 ; % параметр модели бета = 1.0 ; % параметр модели % 1.2 Вычислить внутренние параметры модели u0 = - ( 1 / ( 2 * alfa )) * log ( 10 ^ - 20 / ( ka - kb )); % внутренний параметр модели f0 = (( ka - kb ) / ( 2 * alfa )) * ( 1 - exp ( - 2 * alfa * u0 )); % внутренний параметр модели % 1.3 Инициализировать вектор обобщенной силыf = нули ( 1 , n ); %% 2. РАСЧЕТЫ НА КАЖДОМ ШАГЕдля i = 2 : n % 2.1 Обновить переменную историиuj = u ( i - 1 ) + 2 * u0 * sign ( v ( i )) + sign ( v ( i )) * ( 1 / alfa ) * log ( sign ( v ( i )) * ( alfa / ( ka - кб )) * ( - 2 * бета * и ( i - 1 ) + exp ( beta * u ( i - 1 )) - exp ( - beta * u ( i - 1 )) + kb * u ( i - 1 ) + знак ( v ( i )) * (( ka - kb ) / alfa ) * exp ( - 2 * alfa* u0 ) + sign ( v ( i )) * f0 - f ( i - 1 )));% 2.2 Оцените обобщенную силу в момент времени tif ( sign ( v ( i )) * uj ) - 2 * u0 < sign ( v ( i )) * u ( i ) || знак ( v ( i )) * u ( i ) < sign ( v ( i )) * uj f ( i ) = - 2 * beta * u ( i ) + exp ( beta * u ( i )) - exp ( - beta * u ( i )) + kb * u ( i ) - знак ( v ( i )) * (( ka - kb ) / alfa ) * ( exp ( - alfa * ( sign ( v ( i )) * ( u ( i ) - uj ) + 2 * u0 )) - exp ( - 2 * alfa * u0 )) + sign ( v ( i )) * f0 ;еще f ( i ) = - 2 * beta * u ( i ) + exp ( beta * u ( i )) - exp ( - beta * u ( i )) + kb * u ( i ) + знак ( v ( i )) * f0 ; конецконец%% УЧАСТОКфигураplot ( u , f , 'k' , 'linewidth' , 4 ) set ( gca , ' Размер шрифта ' , 28 ) set ( gca , 'FontName' , 'Times New Roman' ) xlabel ( 'обобщенное смещение' ), ylabel ( 'обобщенная сила' ) сеткаувеличить выкл
Дифференциальные модели [ править ]
Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( Сентябрь 2019 г. ) |
Интегральные модели [ править ]
Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( Сентябрь 2019 г. ) |
Ссылки [ править ]
- ^ Vaiana, Николо; Спиццуоко, Мариакристина; Серино, Джорджио (июнь 2017 г.). «Тросовые изоляторы для сейсмически изолированных легких конструкций: экспериментальное описание и математическое моделирование» . Инженерные сооружения . 140 : 498–514. DOI : 10.1016 / j.engstruct.2017.02.057 .
- ^ Димиан, Михай; Андрей, Петру (4 ноября 2013 г.). Шумовые явления в гистерезисных системах . ISBN 9781461413745.
- ^ а б Вайана, Николо; Сесса, Сальваторе; Розати, Лучано (январь 2021 г.). «Обобщенный класс одноосных независимых от скорости моделей для моделирования явлений асимметричного механического гистерезиса» . Механические системы и обработка сигналов . 146 : 106984. дои : 10.1016 / j.ymssp.2020.106984 .
- ^ а б Вайана, Николо; Сесса, Сальваторе; Мармо, Франческо; Розати, Лучано (26 апреля 2018 г.). «Класс одноосных феноменологических моделей для моделирования гистерезисных явлений в механических системах и материалах, не зависящих от скорости». Нелинейная динамика . 93 (3): 1647–1669. DOI : 10.1007 / s11071-018-4282-2 .
- ^ Vaiana, Николо; Сесса, Сальваторе; Мармо, Франческо; Розати, Лучано (март 2019). «Точная и эффективная с вычислительной точки зрения одноосная феноменологическая модель для эластомерных подшипников, армированных сталью и волокном». Композитные конструкции . 211 : 196–212. DOI : 10.1016 / j.compstruct.2018.12.017 .