CN108982039A - 混合试验用加载反力装置、实时混合试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合加载反力装置、实时混合试验系统及其试验方法，混合加载反力装置应用于实时混合试验系统中，系统包括传感器、数据采集模块、作动器驱动模块、数据通信模块、下位机和上位机，其中，上位机计算数值子结构试件动力响应，并传输到下位机，下位机控制作动器带动试验子结构试件工作；数据采集模块利用传感器实时采集试验子结构试件运行过程中产生的信号，并反馈给下位机；下位机将反映试验子结构试件工作的信号传输到上位机；上位机根据接收到的试验子结构试件工作响应信号和程序施加的激励信号计算下一时刻对试验子结构的控制信号。该实时混合试验系统具有试验占地较小、试验精度高、易于控制的特点。

Description

混合试验用加载反力装置、实时混合试验系统及其试验方法

技术领域

本发明属于结构工程抗震试验领域，尤其涉及一种混合试验用加载反力装置、实时混合试验系统及其试验方法。

背景技术

传统的结构抗震试验方法从拟静力试验创造出重复加载方式，发展到拟动力试验再到如今比较成熟的地震模拟振动台试验方法。虽然地震模拟振动台是现阶段最常用最能反映结构在地震作用下真实情况的人工模拟手段，但是多数都只能进行缩尺模型试验。然而现代建筑结构发展趋势是大型化、复杂化，而缩尺模型得出的试验结果不能完全准确的推算到真实试验结构上。并且振动台及配套设备价格和设计建造费用昂贵，导致振动台试验费用高、试验过程复杂。

混合试验是将结构中不容易数值模拟的非线性较强或受力复杂构件作为试验子结构，其它容易模拟的部分作为数值子结构，通过上位机和作动器下位机连接通信与计算，实现全结构在地震作用下的动力反应分析。

而现有的混合试验均是基于大型的液压伺服系统，对试验室的规模、实验设备能力、上位机的台数和性能以及各方面人员数量的配备要求都很高，且整个系统搭建复杂，试验费用高昂，很难得到真正推广及应用。

因此，减小试验成本，降低混合试验研究的门槛，让混合实验平台真正得到推广及应用成为燃眉之急。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种混合试验用加载反力装置、实时混合试验系统及其试验方法，该实时混合试验系统具有试验占地较小，搭建简单，造价低廉、试验过程费用低且易于控制等特点，并且对上位机的台数和性能以及试验人员数量的配备要求大幅度降低，使得实时混合试验系统能够更广泛的推广及应用，大幅度降低了混合试验研究的门槛。并且该实时混合试验系统的安装及工作调节方法具有操作简单，可调性好，调节精度高等特点。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种混合试验用加载反力装置，包括：

底部钢基座、钢反力架、作动器支撑平台以及作动器安装座，其中，底部钢基座上方一侧连接钢反力架，底部钢基座上方另一侧连接作动器支撑平台，作动器安装座上铰接连接有作动器；

钢反力架和作动器之间设置试验子结构，所述钢反力架上临近作动器的一侧与试验子结构一端传力连接，试验子结构另一端与作动器的驱动部件刚性连接；

所述钢反力架的底部通过第一位置调节机构实现钢反力架和作动器之间的直线间距的粗调节；

所述钢反力架和试验子结构之间设有第二位置调节机构，通过第二位置调节机构实现钢反力架和作动器之间的直线间距的精细调节；

温控箱，所述温控箱可拆卸的连接于试验子结构外部，用于对试验子结构的试验温度进行调节。

所述第一位置调节机构包括调节钢板，调节钢板固定连接在钢反力架的底部，调节钢板与底部钢基座之间螺栓装配式连接，所述调节钢板上沿作动器的传力方向均匀间隔布置多个螺栓连接孔；通过调节钢反力架与底部钢基座之间调节螺栓孔对应位置实现钢反力架和作动器之间的直线间距的粗调节。

所述第一位置调节机构包括滑块，所述滑块固定连接在钢反力架的底部，所述底部钢基座上沿作动器传力方向设有长槽，钢反力架的底部通过滑块在所述长槽内滑动连接，以调节钢反力架和作动器之间的直线间距，并通过锁止装置锁定。

所述第二位置调节机构包括反力螺纹杆，所述反力螺纹杆设置于钢反力架与试验子结构之间，通过调节钢反力架与反力螺纹杆螺纹数目实现钢反力架和试验子结构之间间距的精细调节。

所述作动器支撑平台上沿作动器的传力方向均匀间隔若干个螺栓孔，所述作动器安装座与作动器支撑平台之间通过螺栓孔进行水平调节，保证作动器与试验子结构精准连接。

所述螺栓为可升降螺栓，根据作动器尺寸大小，通过调节可升降螺栓的竖向位置，实现作动器连接杆、试验子结构处在同一水平直线。

底部钢基座底部装有四个升降钢托盘，底部钢基座平台上安装有水准管，通过调节升降钢托盘的螺纹数目和观察水准管实现整个底部钢基座处于水平。

一种实时混合试验系统，采用所述的混合试验用加载反力装置，包括传感器、数据采集模块、功率放大器、作动器驱动模块、数据通信模块、恒压电源模块、下位机和上位机，其中，

上位机通过数据通信模块与下位机相连，下位机与传感器和功率放大器之间均采用数据传输线相连，功率放大器与作动器驱动模块之间、功率放大器和作动器之间分别采用导线相连；

恒压电源模块为多个，多个恒压电源模块分别与下位机、传感器采用导线对应相连；

所述传感器包括位移传感器和力传感器，其中，力传感器用于将试验子结构受到的加载力实时反馈给数据采集模块；位移传感器用于将试验子结构发生的位移量实时反馈给数据采集模块；

所述数据采集模块将力信号和位移信号传输给下位机，下位机再通过数据通信模块传输给上位机。

一种基于所述实时混合试验系统的试验方法，包括以下几个试验步骤：

S1、在混合加载反力装置上安装试验子结构；

S2、工程结构的数值计算模型在上位机中建立，上位机根据数值模型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出第一步的控制信号命令；

S3、上位机通过数据通讯模块将控制信号命令传输到下位机，下位机接受控制信号命令；

S4、下位机实时地将控制信号命令发送给功率放大器，功率放大器将放大后的信号通过作动器驱动模块实现对作动器的控制，具体是，所述作动器驱动模块的控制方式为等效力反馈控制，由DAC模块实现，由反相放大电路和加法运算电路配合DAC模块的双通道模式，来实现作动器正、负拉力的控制，进而实现试验子结构的实时动力加载；

S5、所述传感器包括位移传感器和力传感器，其中，力传感器用于对试验子结构受到的加载力进行实时反馈给数据采集模块；位移传感器用于对试验子结构发生的位移量进行实时反馈给数据采集模块；

S6、下位机将数据采集模块反馈的力和位移数据通过数据通讯模块发送至上位机；

S7、上位机根据接收到的试验子结构的力和位移数据，通过数值积分算法计算出速度、加速度和下一步的控制信号；

S8、重复执行步骤S2-步骤S7，直至激励信号结束。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

第一、本发明混合试验用加载反力装置可以根据不同尺寸大小的试验子结构进行结构调整，并且调节精度高。

第二、本发明的实时混合试验系统搭建简单，造价低廉，试验过程费用低且易于控制等特点，并且对上位机的台数和性能以及试验人员数量的配备要求大幅度降低，使得实时混合试验系统能够更广泛的推广及应用，大幅度降低了混合试验研究的门槛。

第三、本发明的混合试验用加载反力装置结合实时混合试验系统能够进行较大吨位的速度相关型试验子结构的实时混合试验，使其应用范围大幅度提高，能够更加真实的进行混合试验。

第四、本发明数据采集模块针对DAC模块只能输出正电压，无法实现激振器正负拉力(需要输出正负电压)控制的技术问题，引入外围电路配合DAC模块的双通道模式，从而实现对电动式激振器的控制。外围电路包括反相放大电路、加法运算电路和分压电路。由于力传感器的信号输出包括正负电压(正电压表示压力，负电压表示拉力)，ADC模块只能识别正电压，因此需要利用加法运算电路将力信号和固定正电压相加后转化为可以识别的正电压，最后力信号和位移信号通过分压电路将信号压缩至ADC模块可以识别的电压范围内。

附图说明

图1为本发明的混合动力试验方法的功能框架图；

图2为本发明等效力反馈控制原理图；

图3为本发明混合试验用加载反力装置的结构示意图；

图4为本发明的实时混合试验系统结构示意图；

图5三层粘弹性减震框架结构图；

图6为真实试验装置系统图；

图7为本发明加设与未加设粘弹性减震器的底层位移对比图；

图8为本发明加设与未加设粘弹性减震器的底层速度对比图；

图9为本发明加设与未加设粘弹性减震器的底层加速度对比图；

图10为本发明中加法运算电路和分压电路的电路图；

图11为本发明中反相放大电路的电路图。

其中，1 为上位机；2 为下位机；3 为功率放大器；4 为传感器；4-1 为电阻应变片拉压力传感器；4-2 为磁致伸缩线性位移传感器；5 为作动器；6 为恒压电源；7 为加载反力装置；7-1 为作动器支撑平台；7-2 为作动器安装座；7-3 为钢反力架；7-4 为反力螺纹杆；7-5 为底部钢基座；7-6 为螺栓；7-7 为可升降螺栓；8 为温控箱；9 为粘弹性减震器；10 为钢托盘；11 为水准管。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例

如图1所示，本发明混合动力试验系统的功能框架图，包括：上位机，下位机，其中，上位机包括上位机串口通讯模块、上位机数值运算模块，软件以Matlab软件为例；下位机的控制系统模块包括串口通讯模块、作动器驱动模块、数据采集模块。

所述上位机1通过上位机串口通讯模块实现给下位机2发送命令信号，通过下位机1串口通讯模块来接受下位机2传递的位移和力信号。上位机数值运算模块包括数值子结构建模和数值积分算法。

在数值运算软件计算环境中编写程序对数值子结构进行建模，其中包括集中质量矩阵，刚度矩阵、瑞雷阻尼矩阵的计算、外部激励作用选取及多自由度混合试验中转化系数的计算。

如图2所示，所述作动器驱动模块的控制方式为等效力反馈控制，由DAC模块实现，由反相放大电路和加法电路电路配合DAC模块的双通道模式，来实现作动器正负拉力(需要输出正负电压)的控制，从而实现对作动器的控制。

所述数据采集模块的位移和力信号分别由位移传感器和力传感器采集，由ADC模块实现，其中，利用加法运算电路将力信号和固定正电压相加后转化为可以识别的正电压，最后力信号和位移信号通过分压电路将信号压缩至ADC模块可以识别的电压范围内。

所述下位机的程序开发包括固件库核心文件和外设固件库文件。核心文件包括CMSIS和STM32F10x-Std Periph_Driver两个文件夹；外设固件库文件包含delay、sys、usart等文件及串口通讯模块、ADC模块、DAC模块及PID模块的软件设计。

上位机1通过串口采用数据传输线与下位机2相连，下位机2与传感器4和功率放大器3之间均采用数据传输线相连，功率放大器3与作动器5采用导线相连，各个恒压电源6分别与下位机2、传感器4采用导线对应相连；作动器支撑平台7-1与作动器安装座7-2采用螺栓7-6装配连接，作动器5与作动器安装座7-2之间铰接连接，粘弹性减震器9、作动器5、力传感器4-1、钢反力架7-3之间均通过反力螺纹杆7-4对应螺纹装配连接。

所述功率放大器3的电路由放大级、推动级以及信号输出级三部分组成，下位机2发出的弱电信号经过这三种功能电路进行放大后驱动作动器5。

通过恒压电源6为力传感器4-1、位移传感器4-2以及下位机2分别提供5V、24V、±9V的恒定电压。

在考虑温度对粘弹性减震器9对建筑结构减震效果的影响时，将温控箱8连接在粘弹性减震器9的外部，调节并保持温度为10℃。

图4所示，本发明的实时混合试验系统结构示意图，包括混合试验用加载反力装置、上位机1、下位机2、功率放大器3、电阻应变片拉压力传感器4-1、磁致伸缩线性位移传感器4-2、作动器5、恒压电源6、温控箱8。

如图3所示，所述混合试验用加载反力装置，用于安装和固定试验子结构，包括：底部钢基座7-5、钢反力架7-3、作动器支撑平台7-1以及作动器安装座7-2，其中，底部钢基座7-5上方一侧连接钢反力架7-3，底部钢基座7-5上方另一侧连接作动器支撑平台7-1，作动器安装座7-2上铰接连接有作动器5；钢反力架7-3和作动器5之间设置试验子结构，所述钢反力架7-3上临近作动器5的一侧与试验子结构一端传力连接，试验子结构另一端与作动器5的驱动部件刚性连接；所述钢反力架7-3的底部通过第一位置调节机构实现钢反力架7-3和作动器5之间的直线间距的粗调节；所述钢反力架7-3和试验子结构之间设有第二位置调节机构，通过第二位置调节机构实现钢反力架7-3和作动器5之间的直线间距的精细调节；所述温控箱8可拆卸的连接于试验子结构外部，用于对试验子结构的试验温度进行调节。

进一步的，所述第一位置调节机构包括调节钢板，调节钢板固定连接在钢反力架7-3的底部，调节钢板与底部钢基座7-5之间螺栓装配式连接，所述调节钢板上沿作动器5的传力方向均匀间隔布置多个螺栓连接孔；通过调节钢反力架7-3与底部钢基座7-5之间调节螺栓孔对应位置实现钢反力架7-3和作动器5之间的直线间距的粗调节。

进一步的，所述第一位置调节机构包括滑块，所述滑块固定连接在钢反力架7-3的底部，所述底部钢基座7-5上沿作动器5传力方向设有长槽，钢反力架7-3的底部通过滑块在所述长槽内滑动连接，以调节钢反力架7-3和作动器5之间的直线间距，并通过锁止装置锁定。

进一步的，所述第二位置调节机构包括反力螺纹杆7-4，所述反力螺纹杆7-4设置于钢反力架7-3与试验子结构之间，通过调节钢反力架7-3与反力螺纹杆7-4螺纹数目实现钢反力架7-3和粘弹性减震器9试件之间间距的精细调节。

进一步的，所述作动器支撑平台7-1上沿作动器5的传力的垂直方向均匀间隔若干个螺栓孔，所述作动器安装座7-2与作动器支撑平台7-1之间通过螺栓孔进行水平调节，保证作动器5与试验子结构精准连接。

进一步的，所述螺栓为可升降螺栓7-7，根据作动器5尺寸大小，通过调节可升降螺栓7-7的竖向位置，实现作动器5连接杆、试验子结构处在同一水平直线。

进一步的，底部钢基座7-5底部装有四个可升降钢托盘10，底部钢基座7-5平台上安装有水准管，通过调节可升降钢托盘10的螺纹数目和观察水准管11实现整个底部钢基座7-5处于水平。作动器支撑平台7-1、钢反力架7-3、底部钢基座7-5、均采用工字钢，使整体装置既具有大的刚度，满足了结构的稳定性，有效避免共振，又能节省钢材。

本发明实时混合试验系统的试验方法，包括以下几个试验步骤：

S1、工程结构的数值计算模型在上位机中建立，根据数值模型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出第一步的控制信号命令；

S2、上位机通过数据通讯模块将控制信号传输到下位机，下位机接受控制信号；

S3、下位机实时地将控制信号发送给功率放大器，功率放大器将放大后的信号发送给作动器驱动模块，所述作动器驱动模块的控制方式为等效力反馈控制，由DAC模块实现，由反相放大电路和加法运算电路配合DAC模块的双通道模式，来实现作动器正、负拉力的控制，从而实现对作动器的控制，进而实现试验子结构的实时动力加载；

S4、传感器实时采集试验子结构的力和位移数据，并发送给下位机，通过PID模块反馈实现控制信号命令；

S5、下位机将数据采集模块反馈的力和位移数据通过数据通讯模块发送至上位机；

S6、上位机根据接收到的试验子结构的力和位移数据，通过数值积分算法计算出速度、加速度和下一步的控制信号；

S7、重复执行步骤S2-步骤S6，直至激励信号结束。

如图5所示，以三层粘弹性减震框架结构为例，采用上述实时混合试验系统进行混合试验。结构为三层框架结构，第一层装有粘弹性减震器。

本混合试验中取粘弹性减震器为试验子结构，使用温控箱将温度控制在10℃。

数值子结构的刚度矩阵和阻尼矩阵分别为K_N、C_N，试验子结构的刚度和阻尼分别为K_E、C_E，三层框架结构的质量矩阵为M。

其中，具体参数值为：×10⁶N/m。

试验时输入的地震波是El-Centro波，加速度峰值为15gal。结构阻尼采用Rayleigh阻尼，假定阻尼矩阵C是质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，即体系为比例阻尼或称Rayleigh阻尼。计算得出阻尼矩阵×10³Ns/m。

真实实时混合试验系统如图6所示，三层框架结构在地震作用下加设与未加设粘弹性减震器的试验结果对比如图7～图9所示。加减震器框架结构在地震作用下混合试验的底层位移最大值为0.683mm，最小值为-0.548mm；速度最大值为9.8mm/s，最小值为-11.1mm/s；加速度最大值为0.24m/s²，最小值为-0.29m/s²；未加减震器框架结构在地震作用下底层位移最大值为1.187mm，最小值为-1.24mm；速度最大值为17.2mm/s，最小值为-20.7mm/s；加速度最大值为0.336m/s²，最小值为-0.328m/s²。加减震器后框架结构的底层位移最大值降低了55.8％，速度最大值降低了46.4％，加速度最大值降低了28.6％。由上述可见框架结构在加粘弹性减震器后底层动力响应明显减小，说明了粘弹性减震器减震效果较好。

图10为本发明中加法运算电路和分压电路的电路图；

图11为本发明中反相放大电路的电路图。

本发明所述作动器驱动模块和数据采集模块的电路集中在一块电路板上，外围电路包括反相放大电路、加法运算电路和分压电路。由于每个DAC模块只能输出正电压，无法实现激振器正负拉力(需要输出正负电压)的控制，针对上述问题，本发明引入外围电路配合DAC模块的双通道模式，从而实现对电动式激振器的控制。此时外围电路功能需要包括对两路电压相加功能和对电压反向放大的功能。由于力传感器的信号输出包括正负电压(正电压表示压力，负电压表示拉力)，ADC模块只能识别正电压，因此需要利用加法运算电路将力信号和固定正电压相加后转化为可以识别的正电压，最后力信号和位移信号通过分压电路将信号压缩至ADC模块可以识别的电压范围内。

本发明中，所述数值积分算法采用中心差分法、Newmark-β法、Wilson-θ法或有限单元法。

Claims (9)

1.一种混合试验用加载反力装置，其特征在于：包括：

底部钢基座、钢反力架、作动器支撑平台以及作动器安装座，其中，底部钢基座上方一侧连接钢反力架，底部钢基座上方另一侧连接作动器支撑平台，作动器安装座上铰接连接有作动器；

钢反力架和作动器之间设置试验子结构，所述钢反力架上临近作动器的一侧与试验子结构一端传力连接，试验子结构另一端与作动器的驱动部件刚性连接；

所述钢反力架的底部通过第一位置调节机构实现钢反力架和作动器之间的直线间距的粗调节；

所述钢反力架和试验子结构之间设有第二位置调节机构，通过第二位置调节机构实现钢反力架和作动器之间的直线间距的精细调节；

温控箱，所述温控箱可拆卸的连接于试验子结构外部，用于对试验子结构的试验温度进行调节。

2.根据权利要求1所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于，所述第一位置调节机构包括调节钢板，调节钢板固定连接在钢反力架的底部，调节钢板与底部钢基座之间螺栓装配式连接，所述调节钢板上沿作动器的传力方向均匀间隔布置多个螺栓连接孔；通过调节钢反力架与底部钢基座之间调节螺栓孔对应位置实现钢反力架和作动器之间的直线间距的粗调节。

3.根据权利要求1所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于：所述第一位置调节机构包括滑块，所述滑块固定连接在钢反力架的底部，所述底部钢基座上沿作动器传力方向设有长槽，钢反力架的底部通过滑块在所述长槽内滑动连接，以调节钢反力架和作动器之间的直线间距，并通过锁止装置锁定。

4.根据权利要求1～3中任一所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于：所述第二位置调节机构包括反力螺纹杆，所述反力螺纹杆设置于钢反力架与试验子结构之间，通过调节钢反力架与反力螺纹杆螺纹数目实现钢反力架和试验子结构之间间距的精细调节。

5.根据权利要求1所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于，所述作动器支撑平台上沿作动器的传力方向均匀间隔若干个螺栓孔，所述作动器安装座与作动器支撑平台之间通过螺栓孔进行水平调节，保证作动器与试验子结构精准连接。

6.根据权利要求2所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于：所述螺栓为可升降螺栓，根据作动器尺寸大小，通过调节可升降螺栓的竖向位置，实现作动器连接杆、试验子结构处在同一水平直线。

7.根据权利要求1所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于：底部钢基座底部装有四个升降钢托盘，底部钢基座平台上安装有水准管，通过调节升降钢托盘的螺纹数目和观察水准管实现整个底部钢基座处于水平。

8.一种实时混合试验系统，采用如权利要求1所述的混合试验用加载反力装置，其特征在于，包括传感器、数据采集模块、功率放大器、作动器驱动模块、数据通信模块、恒压电源模块、下位机和上位机，其中，

上位机通过数据通信模块与下位机相连，下位机与传感器和功率放大器之间均采用数据传输线相连，功率放大器与作动器驱动模块之间、功率放大器和作动器之间分别采用导线相连；

恒压电源模块为多个，多个恒压电源模块分别与下位机、传感器采用导线对应相连；

所述传感器包括位移传感器和力传感器，其中，力传感器用于将试验子结构受到的加载力实时反馈给数据采集模块；位移传感器用于将试验子结构发生的位移量实时反馈给数据采集模块；

所述数据采集模块将力信号和位移信号传输给下位机，下位机再通过数据通信模块传输给上位机。

9.一种基于权利要求8所述实时混合试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下几个试验步骤：

S1、在混合加载反力装置上安装试验子结构；

S2、工程结构的数值计算模型在上位机中建立，上位机根据数值模型上施加的激励信号和初始化的响应信号计算出第一步的控制信号命令；

S3、上位机通过数据通讯模块将控制信号命令传输到下位机，下位机接受控制信号命令；

S4、下位机实时地将控制信号命令发送给功率放大器，功率放大器将放大后的信号通过作动器驱动模块实现对作动器的控制，具体是，所述作动器驱动模块的控制方式为等效力反馈控制，由DAC模块实现，由反相放大电路和加法运算电路配合DAC模块的双通道模式，来实现作动器正、负拉力的控制，进而实现试验子结构的实时动力加载；

S5、所述传感器包括位移传感器和力传感器，其中，力传感器用于对试验子结构受到的加载力进行实时反馈给数据采集模块；位移传感器用于对试验子结构发生的位移量进行实时反馈给数据采集模块；

S6、下位机将数据采集模块反馈的力和位移数据通过数据通讯模块发送至上位机；

S7、上位机根据接收到的试验子结构的力和位移数据，通过数值积分算法计算出速度、加速度和下一步的控制信号；

S8、重复执行步骤S2-步骤S7，直至激励信号结束。