[发明专利]一种分离式混合试验系统及试验方法

说明书

本发明涉及一种分离式混合试验系统及试验方法，其中，一种分离式混合试验系统包括OpenSees数值子结构模块、MATLAB计算模块、ARM嵌入式控制器模块、数据采集模块、作动器加载系统和试验子结构模块。另外，还公开了一种分离式混合试验系统的试验方法。本发明将OpenSees、MATLAB和ARM嵌入式控制器相结合，实现了OpenSees与MATLAB之间的实时双向通信和MATLAB与ARM嵌入式控制器之间的实时双向通信的功能，解决了整体结构中OpenSees数值子结构模块数值仿真试验与试验子结构模块实物试验协同工作的问题，可实现减震结构的混合动力模拟地震试验。本发明还具有试验系统占地面积小、成本低、试验精度高、试验程序易于移植、试验系统易于控制的特点。

技术领域

本发明涉及一种分离式混合试验系统及试验方法，属于土木工程结构抗震试验技术领域。

背景技术

在土木工程结构抗震试验领域，传统的结构抗震试验方法主要采用的试验方法有拟静力试验、拟动力试验和振动台试验。拟静力试验通过作动器对试件施加事先定义的位移，从而获得试件基本信息，如刚度、承载力、变形和耗能能力等。该方法操作简便且结果容易比较分析，但是这种方法不能反映构件在真实地震作用下反应，因而该方法不能用于研究速度甚至加速度相关型构件的性能。拟动力试验方法将计算机与加载作动器结合，通过试验方法求解动力方程，模拟大型复杂结构在真实荷载作用下的响应。但其每一步加载都是拟静力的，这对于各类速度相关型构件(如各类耗能支撑、减振器)显然不能满足要求，未能实现实时(或快速)加载，必然导致不能真实反映构件的性能。振动台试验是通过对工程结构施加真实荷载记录而获得结构在荷载下的响应，该方法可以直接研究工程结构在真实荷载下的反应和破坏机理，被认为是目前研究工程结构抗震(振)性能最准确的手段。从拟静力试验发展到拟动力试验，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，由于台面尺寸、工作空间的限制，常常需要将结构压缩成小比例模型开展有关试验，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。

混合试验是一种将数值模拟与物理试验相结合的新兴结构抗震试验方法，被相关研究者们认为是一种评估结构非线性部件和系统的先进试验方法。混合试验是在拟动力试验方法的基础上发展起来的，它是一种子结构试验技术，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，在试验室条件下进行物理性能试验；将结构中线性部分或受力简单的部分作为数值子结构，在计算机内进行数值仿真试验，通过高性能计算机将两者进行集成协调，实现全结构在地震作用下的动力反应分析。这样不仅可以大大减小试验模型的规模，降低了试验难度和试验成本，而且减少了控制自由度的个数，可以用较少的作动器进行试验，提高了试验精度。该项技术在大型结构的结构抗震试验研究中得到越来越多的应用。

而现有的混合试验系统多采用以OpenSees作为数值仿真软件，OpenFresco作为OpenSees与硬件通信和控制的接口软件，MTS电液伺服加载系统来作为作动系统。其中OpenFresco主要是针对OpenSees软件开发的接口软件，只开发了几种常规的试验单元，缺少复杂特殊试验模型，这使得OpenSees数值仿真软件在混合试验系统中的应用受到了很大限制，MTS电液伺服加载系统属于大型的液压伺服系统，该系统对试验室的规模、试验设备能力、计算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，其单一性和高成本使得混合试验系统造价过高，进而成为推广这种先进试验方法的主要障碍。

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

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种将OpenSees、MATLAB和ARM嵌入式控制器相结合，能够高效实现全结构混合试验的分离式混合试验系统。