曹志威， 徐志洪, 張 祁， 董 成， 李成盛

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000)

帶粘彈性阻尼器的斜拉索動力混合仿真

曹志威， 徐志洪, 張 祁， 董 成， 李成盛

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000)

利用MATLAB程序編寫了針對帶粘彈性阻尼器的斜拉索結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的計算軟件，同時利用Visual C++語言開發(fā)了PCS8000控制器與計算軟件之間的接口通訊軟件(PMI)，建立起了數(shù)值子結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。通過MATLAB程序純理論計算與混合仿真實(shí)驗(yàn)的比較，證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與純數(shù)值計算的一致性，從而驗(yàn)證了斜拉索結(jié)構(gòu)混合仿真的可靠性。

斜拉索；MATLAB程序；混合仿真；接口通訊軟件PMI

0 引言

混合仿真試驗(yàn)方法是在子結(jié)構(gòu)擬動力試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，吸收了擬靜力實(shí)驗(yàn)方法和地震模擬振動臺方法的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了子結(jié)構(gòu)擬動力試驗(yàn)方法的不足[1]，結(jié)合計算機(jī)輔助軟件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的地震模擬反應(yīng)。混合仿真中的試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)一般為具有復(fù)雜特性的部分，而非線性特性比較簡單或者受力情況單一的部分為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，將其用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和數(shù)值子結(jié)構(gòu)之間通過通信軟件傳輸數(shù)據(jù)[2]。

美國加州大學(xué)伯克利分校借助其研發(fā)的開源有限元軟件OpenSees作為數(shù)值模擬軟件，開發(fā)了接口軟件OpenFresco，利用MTS液壓控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)控制系統(tǒng)，建立混合仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了倒V型支撐體系的試驗(yàn)研究[3]。伊利諾斯大學(xué)香檳分校在這個試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了基于網(wǎng)絡(luò)的分布式混合仿真試驗(yàn)。

1 混合仿真試驗(yàn)外部程序?qū)崿F(xiàn)

本文借助瑞士W+B公司生產(chǎn)的LFV-L型動態(tài)多功能測試設(shè)備(圖1)，該設(shè)備可以根據(jù)PCS8000控制系統(tǒng)的指令，完成要求的加載并反饋實(shí)測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中采用C++編寫的接口通訊軟件PMI(PCS8000-MATLAB-Interface)實(shí)現(xiàn)計算程序與試驗(yàn)中采用的PCS8000控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞與交換(圖2)。MATLAB編寫的計算程序作為計算軟件，用于試驗(yàn)中數(shù)值子結(jié)構(gòu)的計算。

1.1 接口通訊軟件PMI

PMI是利用Visual C++語言編寫而成的，將數(shù)值計算程序MATLAB封裝成“MATLAB.M”文件，內(nèi)嵌在PMI里，從而實(shí)現(xiàn)MATLAB編寫的計算程序數(shù)據(jù)與PCS8000控制系統(tǒng)之間的數(shù)值接受與反饋。PCS8000控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出模塊可以采集每一子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)的RS-232串口里，接口通訊軟件PMI讀取并判斷RS-232串口接收到的力值是否符合規(guī)定格式“±1234.1234”，符合開始讀取該力值并存儲。

圖1 LFV-L型動態(tài)多功能測試設(shè)備

圖2 數(shù)據(jù)交換過程

PMI是以ASCII為基礎(chǔ)而編成的，RS-232串口是在IBM-PC及其兼容機(jī)上執(zhí)行的串行連接標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)在主流的串行通信接口之一[4]。一般計算機(jī)上會有2組RS-232 接口，分別為COM1和COM2，PMI運(yùn)行時選擇的是COM2接口(圖3)。串口通訊在軟件中需要設(shè)置很多項，串口兩端必須要定義相同的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)等參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)接口通訊。根據(jù)PCS8000的串口通訊參數(shù)，將PMI的波特率設(shè)置為9 600[5]。試驗(yàn)開始時，PCS8000控制系統(tǒng)與PMI通訊軟件同時打開，軟件的接收區(qū)會自動顯示所接收的力值，此時PMI調(diào)用由MATLAB計算程序封裝而成的“MATLAB.M”文件,計算相應(yīng)的位移與速度值，同時將速度與位移值轉(zhuǎn)為為規(guī)定格式“±1234.1234”，實(shí)時地反饋給PCS8000控制系統(tǒng)。LFV-L型動態(tài)多功能機(jī)按照接受到的速度，運(yùn)行相應(yīng)的位移。根據(jù)輸入的地震波，PMI通訊軟件與PCS8000控制系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的實(shí)時與反復(fù)地運(yùn)動，完成帶粘彈性阻尼器結(jié)構(gòu)的混合仿真試驗(yàn)。

圖3 接口通訊軟件PMI界面圖

1.2 MATLAB計算程序

采用MATLAB編制計算程序，對4自由度斜拉索分析，Newmark-β法是一種逐步積分的方法，是動力學(xué)分析中最常用數(shù)值方法之一[6]。Newmark-β法的計算步驟如下：

1)計算結(jié)構(gòu)形成的剛度矩陣[K]、質(zhì)量矩陣[M]和阻尼矩陣[C]；

4)計算有效荷載：

({F}t+Δt為作用外力)

5)加速度與速度：

利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)Newmark-β法，結(jié)合MATLAB計算程序，求出數(shù)值子結(jié)構(gòu)的位移與速度，將得到的每一步位移與速度，再通過PMI接口，傳遞給PCS8000控制系統(tǒng)，讓試驗(yàn)機(jī)以每一步的速度，運(yùn)動到相應(yīng)的位移，同時反饋下一步運(yùn)動時，粘彈性阻尼器作用在結(jié)構(gòu)上的力，代入計算步驟(4) ，以此反復(fù)迭代，模擬帶粘彈性阻尼器的斜拉索動力仿真。

2 子結(jié)構(gòu)擬動力實(shí)驗(yàn)研究

2.1 力學(xué)模型

模型為4自由度斜拉索結(jié)構(gòu)?？鐝絃=8m，抗彎慣性矩I=8 575×106mm4，彈性模量E=3.25 ×104N/mm2。模型簡圖如圖4，粘彈性阻尼器安裝在1號處，將斜拉索結(jié)構(gòu)簡化為4自由度分析，將兩端固支的斜拉索模型動力等效成兩端鉸結(jié)的斜拉索模型[7]。

圖4 斜拉索結(jié)構(gòu)及其簡化數(shù)值模型

2.2 粘彈性阻尼器及地震波

如前文所示，本次試驗(yàn)部分為粘彈性阻尼器(圖5)，由2塊100 mm×40 mm×4 mm的鋼板之間夾著4塊40 mm×40 mm×4 mm的橡膠材料層組成。采用人工地震記錄的第1條地震波el centro，斜拉索結(jié)構(gòu)在el centro地震波前10 s作用下，其最大加速度峰值為333.2 cm/s2。

圖5 粘彈性阻尼器示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用速度與位移控制子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了帶粘彈性阻尼器的斜拉索動力混合仿真， 通過MATLAB程序純理論計算與混合仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)值比較，驗(yàn)證了斜拉索結(jié)構(gòu)混合仿真的可靠性。圖6～7分別為仿真實(shí)驗(yàn)與MATLAB純理論計算在1號處的位移響應(yīng)和速度響應(yīng)的結(jié)果比較，仿真實(shí)驗(yàn)1號處最大位移為15.12 mm，而采用MATLAB程序純理論計算為14.45 mm，二者的最大誤差控制在5%之內(nèi)，充分說明了帶粘彈性阻尼器的斜拉索動力混合仿真的精確性。

圖6 斜拉索1號處位移響應(yīng)比較

圖7 斜拉索1號處速度響應(yīng)比較

同時，也反映了PCS8000控制器與PMI通訊傳遞數(shù)據(jù)的實(shí)時性與可靠性，從側(cè)面反映這套系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與適用性，為今后其他子結(jié)構(gòu)的研究做下鋪墊。

[1] Pinto A V, Pegon P, Magonette G, et al. Pseudo-dynamic testing of bridges using non-linear substructuring[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2004, 33(11):1125-1146.

[2] 趙鵬飛, 王亞勇, 程紹革. 一種新型的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法[J]. 工程抗震與加固改造, 2005, 27(6):41-44,59.

[3] Schellenberg A, Kim H K, Takahashi Y, et al. OpenFresco command language manual[M]. Merced: The Regents of the University of California, 2009:5-34.

[4] 孫曉云. 接口與通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京: 中國電力出版社 2007:10-25.

[5] 串口通信的基本概念[EB/OL]. (2012-09-04). http://www.cnblogs.com/wlei/archive/2012/09/04/2670752.html.

[6] 徐榮橋. 結(jié)構(gòu)分析的有限元法與MATLAB程序設(shè)計[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006:238-246.

[7] 林元培. 斜拉橋[M]. 北京: 人民交通出版社, 1994: 6-20.

Dynamic Simulation of Cable with Viscoelastic Dampers

CAO Zhi-wei, XU Zhi-hong, ZHANG Qi, DONG Cheng, LI Cheng-sheng

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210000, China)

This study provide software to calculate the seismic response of cable structures with viscoelastic dampers using the MATLAB program. At the same time, the interface communication software (PMI) between the PCS8000 controller and the calculation software is developed by using C++ Visual language to establish a bridge between the numerical substructure and the experimental substructure. The comparison between the results of mixed simulation and pure theoretical calculation based on MATLAB program proved that the experimental results are consistent with the pure numerical calculation, through which the reliability of hybrid simulation of cable structure is verified.

stay cable; Matlab; hybrid simulation; interface communication software PMI

2016-07-25

曹志威(1993—)，男，江蘇淮安人，南京理工大學(xué)，主要從事混合仿真方面研究工作．E-mail:524070336@qq.com

P315-391

A

1003-1375(2017)02-0066-04

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.011

曹志威，徐志洪，張祁，等. 帶粘彈性阻尼器的斜拉索動力混合仿真[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):66-69.