摘 要：【目的】為提高結(jié)構(gòu)混合試驗的真實性，搭建基于Abaqus-Python的子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗系統(tǒng)?！痉椒ā拷柚鶤baqus軟件代替自主編制的數(shù)值積分算法程序，利用Python語言編制數(shù)據(jù)接口程序，實現(xiàn)Abauqs軟件與LFV-L型動態(tài)多功能測試設(shè)備之間的通信，搭建子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗系統(tǒng)?！窘Y(jié)果】對含黏彈性阻尼器的多層框架結(jié)構(gòu)進行混合試驗，其時程響應(yīng)結(jié)果與Abauqs整體模擬結(jié)果擬合較好?！窘Y(jié)論】驗證了所搭建的混合試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、可行性與通用性。

關(guān)鍵詞：子結(jié)構(gòu)技術(shù)；結(jié)構(gòu)混合試驗；Python；Abaqus；數(shù)據(jù)接口程序

中圖分類號：TU317" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）22-0062-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.013

Substructure Pseudo-Dynamic Hybrid Test Based on Abaqus-Python

Abstract： [Purposes] In order to improve the authenticity of the structural hybrid test， a substructure pseudo-dynamic hybrid test system based on Abaqus-Python is built. [Methods] Abaqus was utilized to replace the self-compiled numerical integration algorithm program. A data interface program was developed in Python， facilitating communication between the Abaqus and the LFV-L type dynamic multifunctional testing equipment， establishing a substructural pseudo dynamic hybrid testing system. [Findings] The hybrid test of multi-story frame structure with viscoelastic dampers is carried out， and the time history response results are in good agreement with the overall simulation results of Abaqus. [Conclusions] The accuracy， feasibility and versatility of the data transmission of the hybrid test system are verified.

Keywords： substructure technique; structural hybrid testing; Python; Abaqus; data interface program

0 引言

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)混合試驗最先由Hakuno等［1］在20世紀60年代末提出，隨后由Takanashi等［2］實現(xiàn)。子結(jié)構(gòu)技術(shù)是將物理試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，將結(jié)構(gòu)力學(xué)行為較為復(fù)雜、非線性表現(xiàn)較強的部分作為試驗子結(jié)構(gòu)，通過試驗直接獲取其恢復(fù)力，剩余部分為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，通過計算機對其進行數(shù)值模擬，兩部分在整體結(jié)構(gòu)動力方程中統(tǒng)一，從而真實地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)［3］。作為一種新型結(jié)構(gòu)試驗方法，子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗結(jié)合結(jié)構(gòu)擬靜力試驗與振動臺試驗兩種方法的優(yōu)點，既能靈活適應(yīng)結(jié)構(gòu)的特性，避免振動臺試驗的尺寸效應(yīng)［4］，又能解決純數(shù)值仿真對強非線性結(jié)構(gòu)模擬的困擾［5］，能夠全面、準確地進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

研究人員為了更加靈活、方便地開展混合試驗，集成試驗設(shè)備與計算機模擬的功能，開發(fā)出具有通用性的混合試驗平臺，以此更好地推進結(jié)構(gòu)混合試驗的廣泛應(yīng)用［6］。美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)了開源有限元軟件OpenSees，將其作為數(shù)值模擬軟件，并研制了接口軟件OpenFresco，將MTS液壓控制系統(tǒng)作為試驗控制系統(tǒng)，建立了一套混合試驗系統(tǒng)［7］。其中OpenFresco的主要功能是為數(shù)值分析軟件和加載設(shè)備提供接口［8-9］，以建立虛擬試驗單元與真實的試驗加載系統(tǒng)之間的聯(lián)系。目前，OpenFresco還可以兼容ABAQUS等有限元軟件，實現(xiàn)與labview等試驗控制系統(tǒng)的連接［10］。在國內(nèi)，范云蕾等［11］通過網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)實驗室—Netslab，建立了結(jié)構(gòu)混合仿真試驗的初步框架。楊格等［12］自主開發(fā)了建筑結(jié)構(gòu)混合試驗平臺HyTest，其主體計算模塊采用Visual C++語言編制，并提供與電液伺服系統(tǒng)MTS的通信接口［13］。

近年來，在結(jié)構(gòu)混合試驗的研究中，數(shù)值子結(jié)構(gòu)的模擬通常采用自主編制的數(shù)值積分算法來實現(xiàn)，為了對更為復(fù)雜的模型進行結(jié)構(gòu)混合試驗，可以借助專業(yè)有限元軟件代替自主編制的數(shù)值積分算法程序，以此對數(shù)值子結(jié)構(gòu)進行更真實的模擬，且能提高結(jié)構(gòu)混合試驗的效率。許多大型通用有限元軟件，比如ANSYS、Abaqus和LS-DYNA等，由于其更為強大的建模和數(shù)值模擬能力，也被應(yīng)用到混合試驗中。目前，試驗設(shè)備及其控制系統(tǒng)的設(shè)計逐漸向標準化和模塊化發(fā)展，使得研究人員對混合試驗系統(tǒng)的搭建和修改變得更加靈活方便，能夠通過標準化的接口和協(xié)議，實現(xiàn)了子結(jié)構(gòu)間數(shù)據(jù)傳輸，降低了結(jié)構(gòu)混合試驗的門檻，研究人員可以根據(jù)自身實驗室設(shè)備及研究要求，通過簡單的配置和調(diào)試，搭建出個性化的混合試驗平臺。

因此，本研究通過對結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題進行分析，利用瑞士W+B公司生產(chǎn)的LFV-L型動態(tài)多功能測試設(shè)備，采用Python語言編制了試驗控制器及其控制系統(tǒng)與有限元軟件Abaqus之間的數(shù)據(jù)接口程序，搭建了一套基于有限元軟件Abaqus的子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗系統(tǒng)。通過對含黏彈性阻尼器的平面框架進行混合試驗，驗證該混合試驗系統(tǒng)的可行性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

1 結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)的搭建及試驗流程

1.1 結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)的組成

本研究所搭建的結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)主要分為試驗加載裝置及其控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口程序和計算機數(shù)值積分等3部分，結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1.1 試驗加載裝置及其控制系統(tǒng)。試驗加載裝置為瑞士W+B試驗設(shè)備公司提供的LFV-L型動態(tài)多功能測試設(shè)備，其液壓伺服控制系統(tǒng)由PCS8000控制器和控制軟件DION-7組成。試驗在DION-7控制軟件的FPI（Free-Programming-Interface）模式下進行，并在其中定義試驗數(shù)據(jù)采集形式、位移與速度等數(shù)據(jù)的傳輸形式以及加載循環(huán)的次數(shù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)接口程序。數(shù)據(jù)接口程序由Python語言編制，其集成了串口通信與基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的socket通信，能夠?qū)崿F(xiàn)PCS8000控制器與計算機數(shù)值積分部分的數(shù)據(jù)傳輸，保證通信的穩(wěn)定性。串口通信實現(xiàn)了PCS8000控制器與試驗機電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸，在兩者之間定義對應(yīng)的串口以及波特率，通過RS-233串口協(xié)議進行傳輸；Socket通信實現(xiàn)了試驗機電腦與Abaqus軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，其中試驗機電腦作為服務(wù)器，Abaqus軟件作為客戶端，客戶端通過指定IP地址和端口號實現(xiàn)與服務(wù)器的連接。

1.1.3 計算機數(shù)值積分。在結(jié)構(gòu)混合試驗過程中，地震波被劃分成等時間步長的地震荷載。在一個子步中，試驗子結(jié)構(gòu)通過試驗機加載得到的反饋力，將會作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)的邊界條件，加載在下一個子步的模型中，且該模型需要在上一個子步結(jié)果的基礎(chǔ)上進行計算。以上試驗過程通過Python語言對Abaqus二次開發(fā)實現(xiàn)，在Abaqus軟件中進行結(jié)構(gòu)模型的建立與更新、重啟動分析設(shè)置以及結(jié)果后處理，即可實現(xiàn)數(shù)值子結(jié)構(gòu)模型的動態(tài)更新，以此提高結(jié)構(gòu)混合試驗的準確性和高效性。

1.2 結(jié)構(gòu)混合試驗流程

首先，在Abaqus軟件中進行第一個子步的數(shù)值子結(jié)構(gòu)模擬，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)；其次，在后處理中提取連接黏彈性阻尼器兩點間的相對位移、相對速度，并通過數(shù)據(jù)接口程序，將位移與速度數(shù)據(jù)發(fā)送至試驗機控制器PSC8000；最后，待試驗子結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動作并得到反饋力后，將反饋力發(fā)送至數(shù)值子結(jié)構(gòu)，并作為邊界條件施加在新模型上。以上過程均通過Python腳本實現(xiàn)，具體的模擬步驟如下：①在Abaqus軟件中通過Python腳本建立模型，同時設(shè)置重啟動分析，并施加第一個子步長的地震荷載。②提交并運行作業(yè)，利用Python腳本提取odb結(jié)果文件中連接黏彈性阻尼器節(jié)點的相對位移、相對速度。③將節(jié)點位移、速度發(fā)送至試驗子結(jié)構(gòu)部分，試驗得到黏彈性阻尼器的反饋力，再將該反饋力發(fā)送至Abaqus軟件部分。④Abaqus軟件接收到反饋力數(shù)據(jù)，運行代碼復(fù)制模型，編輯新模型的屬性，修改新模型的邊界條件（地震波和上一步的反饋力），為模型新增分析步，并設(shè)置重啟動。⑤繼續(xù)步驟②，循環(huán)直至地震波加載完畢。子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗試驗流程如圖2所示。

2 基于Abaqus-Python的子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗

本研究基于Abaqus-Python軟件所搭建的結(jié)構(gòu)混合試驗系統(tǒng)，以一個含黏彈性阻尼器的多層多跨平面鋼框架為例，進行結(jié)構(gòu)混合試驗。首先，為探究socket通信機制在Abaqus與Python程序之間的可行性，對結(jié)構(gòu)進行基于虛擬試驗機的混合試驗。與真實混合試驗不同的是，在虛擬混合試驗中，試驗子結(jié)構(gòu)—黏彈性阻尼器，不通過真實的試驗機進行加載，而通過虛擬試驗機—Python程序模擬其運動方程，計算模型為Kelvin模型，其余結(jié)構(gòu)為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，通過Abaqus軟件模擬。通過虛擬的混合試驗，可提前跑通試驗流程，預(yù)測試驗結(jié)果。隨后，對同一結(jié)構(gòu)進行真實的混合試驗，并將虛擬、真實的混合試驗與Abaqus軟件整體模擬結(jié)果進行對比，驗證基于Abaqus的子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗系統(tǒng)的可行性及通用性。

2.1 試驗?zāi)Ｐ图跋嚓P(guān)參數(shù)

試驗子結(jié)構(gòu)如圖3所示，為板式剪切型黏彈性阻尼器，通過對其進行力學(xué)性能試驗，獲取黏彈性阻尼器的等效剛度和等效阻尼，為后續(xù)結(jié)構(gòu)混合試驗提供理論依據(jù)。

通過不同頻率、不同幅值的正弦荷載作用對黏彈性阻尼器進行循環(huán)加載試驗，試驗的環(huán)境溫度為18 ℃，控制加載的幅值分別為1、2、5、7、10 mm，加載頻率分別為[f1]=0.2 Hz、[f2]=0.5 Hz、[f3]=1 Hz、[f4]=2 Hz。對以上各工況進行循環(huán)加載試驗，得到不同工況下黏彈性阻尼器的荷載—位移曲線，并獲取其相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見表1。

結(jié)構(gòu)混合試驗的整體模型為含黏彈性阻尼器的十二層三跨平面鋼框架，黏彈性阻尼器以斜支撐形式安裝在每層的中間跨，如圖4所示。

該框架層高均為3 000 mm，梁長為4 000 mm，梁為150 mm×150 mm×6 mm×8 mm的工字型截面，柱為200 mm×150 mm×10 mm的箱型截面，梁、柱均賦予鋼材屬性。通過模態(tài)分析得到該框架結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為α=0.362 35、β=0.000 82。選取El-Centro（10gal）波作用在柱底的X方向，作用時間為30 s。

2.2 試驗結(jié)果與分析

節(jié)點時程響應(yīng)曲線如圖5所示。虛擬、真實的混合試驗與Abaqus整體模擬三者的位移、速度、加速度時程曲線趨勢基本一致，但曲線波動較大處有明顯差值。將虛擬混合試驗結(jié)果與Abaqus模擬結(jié)果進行對比得出兩者曲線擬合較好。位移結(jié)果數(shù)據(jù)誤差最大為0.096 mm，誤差百分比為7.3％；速度結(jié)果數(shù)據(jù)誤差最大為0.779 mm/s，誤差百分比為6.9％；加速度結(jié)果誤差最大為2.899 mm/s2，誤差百分比為6.2％，誤差均在允許范圍之內(nèi)。本研究驗證了Socket通信在Python程序與Abaqus軟件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

將真實混合試驗結(jié)果與Abaqus模擬結(jié)果進行對比分析可知，位移正向峰值的最大差值出現(xiàn)在3.3 s時，差值為0.237 mm，負向峰值的最大差值出現(xiàn)在4.7 s時，差值為0.265 mm；速度正向峰值的最大差值出現(xiàn)在4.9 s時，差值為2.56 mm/s，負向峰值的最大差值出現(xiàn)在6.1 s時，差值為1.726 mm/s；加速度正向峰值最大差值出現(xiàn)在2.0 s時，差值為15.77 mm/s2，負向峰值最大差值出現(xiàn)在5.9 s時，差值為17.057 mm/s2。這是由于黏彈性阻尼器的非線性特性，在數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算過程中，試驗子結(jié)構(gòu)的加載存在時滯效應(yīng)，同時Abaqus軟件模擬黏彈性阻尼器的非線性特性能力有限，因此造成了真實的結(jié)構(gòu)混合試驗和Abaqus軟件整體模擬之間的誤差。

3 結(jié)論

本研究根據(jù)結(jié)構(gòu)混合試驗將物理試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的特點，搭建了基于Abaqus-Python的子結(jié)構(gòu)擬動力混合試驗系統(tǒng)，并對含黏彈性阻尼器的多層多跨平面鋼框架進行研究，主要結(jié)論如下。

①對比同一結(jié)構(gòu)虛擬混合試驗與Abaqus整體模擬結(jié)果，兩者時程曲線吻合較好，驗證了socket通信在Python程序與Abaqus軟件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行耘c準確性。

②將真實混合試驗結(jié)果與Abaqus整體模擬結(jié)果對比可知，兩者時程曲線趨勢一致，誤差均在合理范圍內(nèi)，驗證了所搭建的混合試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性以及試驗的可行性。

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