遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法與技術(shù)研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使地震工程研究者能夠?qū)⑦h(yuǎn)程分布的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。通過 Internet，許多單個(gè)實(shí)驗(yàn)室被集成為一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化試驗(yàn)系統(tǒng)，可以完成單一實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行的大比例復(fù)雜模型的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，從而提高了試驗(yàn)?zāi)芰凸蚕砹嗽囼?yàn)資源。國(guó)內(nèi)外已有幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)開始利用遠(yuǎn)程分布的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大比例結(jié)構(gòu)模型的協(xié)同試驗(yàn)研究。
　　基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算資源，本文建立了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行

2、了國(guó)內(nèi)首個(gè)土木工程方面的國(guó)際協(xié)作擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，在此過程中研究了多種擬動(dòng)力試驗(yàn)方法與技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.通過與美國(guó)NEES(Network for Earthquake Engineering Simulation)網(wǎng)絡(luò)和臺(tái)灣地區(qū)ISEE(Internet-based Simulation for Earthquake Engineering)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，研究了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)的主要組成部分——網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、試驗(yàn)設(shè)備與

3、控制系統(tǒng)和計(jì)算分析系統(tǒng)，以及各部分的集成方法與技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究本文遠(yuǎn)程試驗(yàn)系統(tǒng)的建立方法。利用以湖南大學(xué)為首的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——NetSLab(Networked Structural Laboratories)，進(jìn)行了多次不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬試驗(yàn)和遠(yuǎn)程分布式網(wǎng)上公開試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，NetSLab網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以在互聯(lián)網(wǎng)上順暢通訊，為遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)功能支持。
　　2.針對(duì)土木工程試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的MTS系統(tǒng)

4、，研究了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)中的試驗(yàn)設(shè)備與控制系統(tǒng)?；贛TS793系列控制軟件以及FlexTest GT控制系統(tǒng)等軟件、硬件資源，研究了兩種擬動(dòng)力試驗(yàn)方法與技術(shù)。
　　建立了基于計(jì)算命令控制的擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，通過鋼構(gòu)件的擬動(dòng)力試驗(yàn)來驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。研究結(jié)果表明，基于計(jì)算命令控制的試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)試驗(yàn)，為速度相關(guān)型構(gòu)件模型提供了一個(gè)很好的抗震試驗(yàn)研究平臺(tái)。
　　為了建立對(duì)任何試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)均適用的擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，提

5、出了外部命令控制方法，建立了 Visual C++和MATLAB混合編程控制的擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了砌體結(jié)構(gòu)足尺模型的三自由度結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)和六自由度結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，外部命令控制方法的硬件連接只與試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道有關(guān)，編程控制也與控制軟件無關(guān)，與計(jì)算命令控制等擬動(dòng)力試驗(yàn)方法相比，其應(yīng)用不依賴于任何控制系統(tǒng)，具有通用性；試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合了 Visual C++開發(fā)功能強(qiáng)大和MATLAB科學(xué)計(jì)算編程靈活的優(yōu)

6、點(diǎn)，Visual C++開發(fā)的控制程序能夠有效、準(zhǔn)確地使多個(gè)作動(dòng)器同時(shí)加載而不互相藕聯(lián)，MATLAB程序使試驗(yàn)的計(jì)算程序易于編譯和擴(kuò)展。
　　這兩種方法均體現(xiàn)了一種數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)抗震混合試驗(yàn)的思想。
　　3.為了集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、試驗(yàn)設(shè)備與控制系統(tǒng)和計(jì)算分析系統(tǒng)為一個(gè)整體，從而建立遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用提出的外部命令控制方法，以及基于ActiveX技術(shù)的程序控制方法，結(jié)合 NetSLab網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供的應(yīng)用程序接口

7、，通過硬件連接和軟件編程方法，實(shí)現(xiàn)了各部分的集成，編制了適用于任何試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的真實(shí)試驗(yàn)機(jī)程序，并且研究了穩(wěn)定、準(zhǔn)確地快速加載控制方法。
　　應(yīng)用建立的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)一根懸臂鋼柱進(jìn)行了局域網(wǎng)協(xié)同擬動(dòng)力試驗(yàn)。為了進(jìn)行快速試驗(yàn)，試驗(yàn)中研究了一種適合實(shí)時(shí)或快速擬動(dòng)力試驗(yàn)的數(shù)值積分方法——?jiǎng)恿糠匠谭椒?，結(jié)合顯式γ法求解隱式方程，得到了顯式位移表達(dá)式，同時(shí)提出了一種基于硬件控制的外部位移控制方法。研究結(jié)果表明，試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各部分的集成工

8、作和協(xié)同控制要求，可以作為一個(gè)基礎(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)向互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值積分方法的有效性。試驗(yàn)過程表明，雖然外部位移控制方法存在危險(xiǎn)性，對(duì)試驗(yàn)控制系統(tǒng)的硬件提出了更高的要求，但是可以找到合適的PID控制參數(shù)來保證作動(dòng)器的快速響應(yīng)，因此為快速擬動(dòng)力試驗(yàn)研究提供了一種很好的控制方法。
　　4.設(shè)計(jì)和制作了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)的鋼筋混凝土橋梁短柱模型。對(duì)未約束柱和三層CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)強(qiáng)約束

9、柱進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。將兩端為固定端的CFRP約束柱模型假設(shè)為一單自由度體系，應(yīng)用集成的遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了彈性、塑性局部破壞以及局部破壞后這三個(gè)階段的局域網(wǎng)協(xié)同擬動(dòng)力試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，短柱模型的假設(shè)合理；其在產(chǎn)生塑性變形、局部破壞后，在一定位移范圍內(nèi)，仍然具有穩(wěn)定的二階退化剛度，此時(shí)剛度值降為未破壞時(shí)的1/3，與擬靜力試驗(yàn)結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的設(shè)計(jì)，并為遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)提供了恢復(fù)力模型。同時(shí)也檢驗(yàn)了遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)系統(tǒng)。
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10、.進(jìn)行了以湖南大學(xué)為首，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)和和美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)合作的國(guó)內(nèi)首個(gè)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)。研究了試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒃囼?yàn)設(shè)備與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化試驗(yàn)系統(tǒng)的集成以及協(xié)同試驗(yàn)過程等關(guān)鍵技術(shù)問題。試驗(yàn)以美國(guó)南加利福尼亞州的Russion River多跨橋梁為原型，將每個(gè)橋墩柱劃分為子結(jié)構(gòu)，在湖南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用不同的試驗(yàn)設(shè)備來模擬不同的試驗(yàn)邊界條件，并且應(yīng)用兩種方法完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的通訊，在其它實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行子