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原文传递远程协同结构拟动力试验方法与技术研究

论文题名：	远程协同结构拟动力试验方法与技术研究
关键词：	远程协同试验;网络协议;应用程序接口;拟动力试验;多跨桥梁结构;试验设备;远程共享
摘要：	互联网技术使地震工程研究者能够将远程分布的结构实验室连接在一起，实现数据传输和远程控制，进行网络化协同结构试验。通过 Internet，许多单个实验室被集成为一个强大的网络化试验系统，可以完成单一实验室无法进行的大比例复杂模型的结构试验，从而提高了试验能力和共享了试验资源。国内外已有几个国家和地区开始利用远程分布的结构实验室进行大比例结构模型的协同试验研究。　　基于实验室现有的试验设备和计算资源，本文建立了远程协同试验系统，进行了国内首个土木工程方面的国际协作拟动力试验研究，在此过程中研究了多种拟动力试验方法与技术。主要研究内容如下：　　1.通过与美国NEES(Network for Earthquake Engineering Simulation)网络和台湾地区ISEE(Internet-based Simulation for Earthquake Engineering)平台进行对比，研究了远程协同试验系统的主要组成部分——网络协议、试验设备与控制系统和计算分析系统，以及各部分的集成方法与技术。在此基础上，研究本文远程试验系统的建立方法。利用以湖南大学为首的研究团队开发的网络协议——NetSLab(Networked Structural Laboratories)，进行了多次不同网络环境下的虚拟试验和远程分布式网上公开试验。试验结果表明，NetSLab网络协议可以在互联网上顺畅通讯，为远程协同试验系统提供了网络功能支持。　　2.针对土木工程试验中广泛应用的MTS系统，研究了远程协同试验系统中的试验设备与控制系统。基于MTS793系列控制软件以及FlexTest GT控制系统等软件、硬件资源，研究了两种拟动力试验方法与技术。　　建立了基于计算命令控制的拟动力试验系统，通过钢构件的拟动力试验来验证了试验系统的可行性。研究结果表明，基于计算命令控制的试验系统可以实现实时试验，为速度相关型构件模型提供了一个很好的抗震试验研究平台。　　为了建立对任何试验设备控制系统均适用的拟动力试验系统，提出了外部命令控制方法，建立了 Visual C++和MATLAB混合编程控制的拟动力试验系统，进行了砌体结构足尺模型的三自由度结构拟动力试验和六自由度结构的子结构拟动力试验。研究结果表明，外部命令控制方法的硬件连接只与试验设备控制系统的输入、输出通道有关，编程控制也与控制软件无关，与计算命令控制等拟动力试验方法相比，其应用不依赖于任何控制系统，具有通用性；试验系统结合了 Visual C++开发功能强大和MATLAB科学计算编程灵活的优点，Visual C++开发的控制程序能够有效、准确地使多个作动器同时加载而不互相藕联，MATLAB程序使试验的计算程序易于编译和扩展。　　这两种方法均体现了一种数值模拟和物理试验相结合的结构抗震混合试验的思想。　　3.为了集成网络协议、试验设备与控制系统和计算分析系统为一个整体，从而建立远程协同试验系统，应用提出的外部命令控制方法，以及基于ActiveX技术的程序控制方法，结合 NetSLab网络协议提供的应用程序接口，通过硬件连接和软件编程方法，实现了各部分的集成，编制了适用于任何试验设备控制系统的真实试验机程序，并且研究了稳定、准确地快速加载控制方法。　　应用建立的试验系统，对一根悬臂钢柱进行了局域网协同拟动力试验。为了进行快速试验，试验中研究了一种适合实时或快速拟动力试验的数值积分方法——动量方程方法，结合显式γ法求解隐式方程，得到了显式位移表达式，同时提出了一种基于硬件控制的外部位移控制方法。研究结果表明，试验系统实现了各部分的集成工作和协同控制要求，可以作为一个基础试验平台向互联网扩展，同时验证了数值积分方法的有效性。试验过程表明，虽然外部位移控制方法存在危险性，对试验控制系统的硬件提出了更高的要求，但是可以找到合适的PID控制参数来保证作动器的快速响应，因此为快速拟动力试验研究提供了一种很好的控制方法。　　4.设计和制作了远程协同试验的钢筋混凝土桥梁短柱模型。对未约束柱和三层CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)强约束柱进行了拟静力试验。将两端为固定端的CFRP约束柱模型假设为一单自由度体系，应用集成的远程协同试验系统进行了弹性、塑性局部破坏以及局部破坏后这三个阶段的局域网协同拟动力试验。研究结果表明，短柱模型的假设合理；其在产生塑性变形、局部破坏后，在一定位移范围内，仍然具有稳定的二阶退化刚度，此时刚度值降为未破坏时的1/3，与拟静力试验结果一致，进一步验证了模型的设计，并为远程协同试验提供了恢复力模型。同时也检验了远程协同试验系统。　　5.进行了以湖南大学为首，哈尔滨工业大学、清华大学和和美国南加利福尼亚大学合作的国内首个远程协同结构拟动力试验。研究了试验模型、试验设备与控制系统、网络化试验系统的集成以及协同试验过程等关键技术问题。试验以美国南加利福尼亚州的Russion River多跨桥梁为原型，将每个桥墩柱划分为子结构，在湖南大学和哈尔滨工业大学实验室应用不同的试验设备来模拟不同的试验边界条件，并且应用两种方法完成网络协议和试验设备控制系统的通讯，在其它实验室进行子结构的数值模拟，整个试验由湖南大学的控制中心来组织协调。研究结果表明，具有强大试验能力的网络化协同试验系统为复杂模型或实际结构提供了一个具有很好协调性的分布式试验平台，并且实现了试验设备的远程共享。
作者：	王大鹏
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	田石柱
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文