模塊式萬向加載試驗裝置制造方法及圖紙

模塊式萬向加載試驗裝置，涉及一種結構試驗加載裝置。本發明專利技術的目的是解決試驗體空間多自由度耦合加載和多維力/位移混合控制的問題。本發明專利技術包括上臺面、下臺面、作動器、力傳感器、位移傳感器、機械萬向鉸、下位機控制器、坐標轉換器、模式控制器、上位機控制器、系統集成控制器、數值子結構。本發明專利技術采用并聯運動機制實現空間任意方向的位移加載的能力，采用雙閉環控制策略實現加載裝置多自由度力和位移的混合控制，本發明專利技術軸向加載能力大，可解決空間加載裝置力控制加載難題，可以進行混合試驗，并能組合多模塊對復雜構件加載。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種可向空間任何方向加載的模塊化空間加載試驗裝置，用于大型土木工程結構的抗震試驗，屬于地震工程和結構工程領域。
技術介紹
在嚴重的外界荷載(強震、強風等)作用下，工程結構將產生大變形乃至發生開裂和倒塌。超出線彈性階段的基于不同極限狀態的性能設計是當前土木工程防災研究的熱點之一。為實現這一先進的設計思想、進一步提高對結構災變行為的把握，提高其防災減災能力，有賴于基礎研究的加強。涉及結構復雜力學性態模擬的理論和方法，基于現代計算技術而得以迅速發展的高精度數值模擬是必由之路，但這必須以實踐觀察和物理實驗測試結果為依據。并通過實驗研究驗證結構計算分析理論，發展新的數學力學模型，最終達到提高計算精度并改善結構工程設計進而實現防震減災目標的目的。隨著我國綜合國力的增強，各地的科研院所先后興建了一些大型的試驗裝置，比如大型地震模擬振動臺和臺陣、擬動力試驗裝置、大噸位靜力加載裝置等，可以滿足部分土木工程試驗需要。但是目前的靜力往復加載裝置大多只能實現單向或雙向受力狀態，且不能模擬地震和風振的動力效應。振動臺裝置可進行地震模擬實驗，但限于整體模型的尺寸，不能得出原型構件的本構關系。擬動力裝置可進行大尺寸試件的三向受力實驗，但難以模擬復雜的邊界約束條件及動力硬化效應。因此，需要開發可實現三向加載、具備多自由度全邊界控制能力、模擬復雜邊界條件的實驗裝置。本專利技術模塊式萬向加載試驗裝置采用Stewart并聯機構，在三向六自由度位移控制的基礎上，引入力-位移混合控制，進一步考慮設備與非線性試驗體的耦合，引入魯棒性更強的滑動模態控制算法，進行加載邊界上多自由度的解耦和混合控制模式。Stewart并聯機構雖然在機械、航空、航天、船舶、汽車、醫療器械等領域得到廣泛研究與應用，但將Stewart平臺應用于土木工程領域，實現負載結構加載和邊界條件的模擬是本項目首次提出，主要是為了研究土木工程結構在復雜受力條件下的本構關系，研究構件或子結構在嚴格邊界條件下的力學性能和地震響應，因此該設備應具備如下特點：(1)可進行大型試件的多維、動態本構關系試驗，具備拉、壓、剪、扭等能力；(2)組合式加載模塊，以實現多領域的研究需求；和(3)多自由度解耦控制，這是進行多自由度控制的關鍵技術問題。與國內外已建成的大型空間加載裝置相比，本專利技術的模塊化萬向加載加載裝置更加靈活，多臺聯合使用可構建復雜的空間加載平臺。與功能相對單一的壓剪試驗機和墻板試驗機相比，其功能更加全面，可實現三維本構關系試驗研究。本專利技術的模塊化萬向加載加載裝置加載能力大，而且可實現快速加載，解決靜力或擬動力試驗中難以克服的加載速率影響，具備各個自由度之間、力和位移之間的混合控制模式，為再現復雜結構在空間受力狀態下的動力災變全過程提供可靠的試驗本構關系。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術難以實現的空間多自由度力-位移混合加載問題。本專利技術采用并聯運動平臺機制，利用雙閉環控制進行位移和力的正解，實現多自由度加載中的精確力控制。本專利技術的模塊式萬向加載試驗裝置包括上臺面1、下臺面2、作動器3、力傳感器4、位移傳感器5、機械萬向鉸6、下位機控制器7、坐標轉換器8、模式控制器9、上位機控制器10，作動器6通過機械萬向鉸6與上臺面1和下臺面2分別連接，6臺作動器形成并聯運動機制，可控制上臺面1在空間任何方向運動。所述模塊式萬向加載試驗裝置由上位機控制器10發出目標控制向量ui+1到模式控制器9，模式控制器9將目標控制向量和其模式控制類別轉化為整體坐標系下的位移/力混合目標向量dci+1(t)，通過坐標轉換器8將目標向量轉化為作動器的目標信號lck，由下位機控制器7驅動6臺作動器3對試驗體進行加載，同時各個作動器的力傳感器4和位移傳感器5反饋信號mck，并由坐標轉換器8轉化為整體坐標系下的位移和力反饋向量YRi+1(t)，發送給上位機控制器10，通過比較后形成閉環控制。所述上臺面1為萬向加載試驗裝置的加載平面，試驗中與試驗體連接。所述下臺面2為萬向加載實驗裝置的反力部件，試驗中與實驗室反力墻或反力地板連接。所述作動器3的位移由位移傳感器5測量，作用力由力傳感器4測量，其動作由伺服閥11驅動。所述下位機控制器7由內環伺服控制器12、反饋信號調理電路13、伺服命令比較器14構成，反饋信號調理電路13接受來自位移傳感器5和力傳感器4的反饋信號，經過濾波、放大電路調理形成調理后反饋信號，伺服命令比較器14將目標信號與調理后反饋信號比較后生成比較信號發送給內環伺服控制器12，內環伺服控制器12采用PID控制，將比較信號轉換為命令信號，驅動作動器3運動，下位機控制器具有6個通道，每個通道控制1臺作動器3。所述坐標轉換器8包括A/D變換模塊15、D/A變換模塊16和坐標變換矩陣計算模塊17，將6臺作動器的位移和力模擬信號經過A/D變換模塊15后轉化為數字信號，通過坐標變換矩陣計算模塊17，得到上臺面1整體坐標系下的位移和力，并將其傳輸給上位機控制器10，坐標轉換器8的另一個功能是接收模式控制器9的數字目標信號，通過坐標變換矩陣計算模塊17進行逆變換為6臺作動器的目標值，通過D/A變換模塊16轉換為模擬信號，并傳送給下位機控制器7作為其目標信號。所述模式控制器9具有攝動矩陣求解模塊18、力位移轉換模塊19，攝動矩陣求解模塊18在試驗體連接后，采用攝動方法自動生成試驗體剛度矩陣，力位移轉換模塊19根據上位機控制器10的目標信號和模式信號將相關目標值從位移轉化為力或者從力轉化為位移，并發送給坐標轉換器8。所述上位機控制器10包括臺式機20、數字命令比較器21、多輸入多輸出魯棒控制器22和卡爾曼濾波器23，數字命令比較器21接收來自坐標轉換器8的整體坐標系的力和位移信號，通過卡爾曼濾波器23后與整體坐標期望信號進行比較，生成比較信號，比較信號通過多輸入多輸出魯棒控制器22后生成目標信號及模式信號發送給模式控制器9，數字命令比較器21、多輸入多輸出魯棒控制器22和卡爾曼濾波器23均安裝在臺式機20內，臺式機20具有與系統集成控制器24交互的接口。所述系統集成控制器24可與多臺上位機控制器10進行交互，控制多臺模塊式萬向加載裝置進行復雜結構試驗，也可與數值子結構25交換數據。本專利技術與現有裝置相比具有以下效果：軸向加載能力大、水平方向各向基本同性，加載能力近似；作動器規格相同便于維護；各向加載能力分配比例可根據角度調整，可以實現結構試驗領域中試驗體精準邊界條件加載的目標，可以與數值子結構協調加載，可以靈活配置多個模塊化空間加載裝置進行復雜試驗體的加載。專利技術工作原理上位機控制器10包含多輸入多輸出魯棒控制模塊22，輸入量和輸出量信道數不少于6個，控制矩陣為6x6的方陣，其對角主元采用比例積分控制參數構成，也可采用滑動模態控制。當采用滑動模態控制時，可更好的控制非線性試驗體的加載精度，此時，需基于控制對象(模式控制器9、坐標轉換器8、作動器3和試驗體組成的系統)的狀態空間矩陣設計滑動模態控制器，基于整體坐標系位移和力反饋向量YRi+1(t)和目標控制向量ui+1設計卡爾曼濾波器23識別多維向量的狀態量，由滑動模態在滑移面上的滑動來使多輸入多輸出系統對試驗體非線性實現較好的解耦控制。坐標轉換器8主要本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模塊式萬向加載試驗裝置，包括上臺面(1)、下臺面(2)、作動器(3)、力傳感器(4)、位移傳感器(5)、機械萬向鉸(6)、下位機控制器(7)、坐標轉換器(8)、模式控制器(9)、上位機控制器(10)，每臺作動器(3)均包括一臺力傳感器(4)和一臺位移傳感器(5)，并通過兩臺機械萬向鉸(6)與上臺面(1)和下臺面(2)相連接，下位機控制器(7)實現對單臺作動器(3)進行位移控制，坐標轉換器(8)、模式控制器(9)和上位機控制器(10)構成外環控制器，實現上臺面(1)加載點在整體坐標系的6自由度力/位移混合控制，其特征在于：6臺作動器形成并聯運動機制，可控制上臺面(1)在空間任何方向運動。

【技術特征摘要】
1.一種模塊式萬向加載試驗裝置，包括上臺面(1)、下臺面(2)、作動器(3)、力傳感器(4)、位移傳感器(5)、機械萬向鉸(6)、下位機控制器(7)、坐標轉換器(8)、模式控制器(9)、上位機控制器(10)，每臺作動器(3)均包括一臺力傳感器(4)和一臺位移傳感器(5)，并通過兩臺機械萬向鉸(6)與上臺面(1)和下臺面(2)相連接，下位機控制器(7)實現對單臺作動器(3)進行位移控制，坐標轉換器(8)、模式控制器(9)和上位機控制器(10)構成外環控制器，實現上臺面(1)加載點在整體坐標系的6自由度力/位移混合控制，其特征在于：6臺作動器形成并聯運動機制，可控制上臺面(1)在空間任何方向運動。2.根據權利要求1所述模塊式萬向加載試驗裝置，其特征在于，由上位機控制器(10)發出目標控制向量ui+1到模式控制器(9)，模式控制器(9)將目標控制向量和其模式控制類別轉化為整體坐標系下的位移/力混合目標向量dci+1(t)，通過坐標轉換器(8)將目標向量轉化為作動器的目標信號lck，由下位機控制器(7)驅動6臺作動器(3)對試驗體進行加載，同時各個作動器的力傳感器(4)和位移傳感器(5)反饋信號mck，并由坐標轉換器(8)轉化為整體坐標系下的位移和力反饋向量YRi+1(t)，發送給上位機控制器(10)，通過比較后形成閉環控制。3.根據權利要求1所述模塊式萬向加載試驗裝置，其特征在于，上臺面(1)為萬向加載試驗裝置的加載平面，試驗中與試驗體連接。4.根據權利要求1所述模塊式萬向加載試驗裝置，其特征在于，下臺面(2)為萬向加載實驗裝置的反力部件，試驗中與實驗室反力墻或反力地板連接。5.根據權利要求1所述模塊式萬向加載試驗裝置，其特征在于，作動器(3)的位移由位移傳感器(5)測量，作用力由力傳感器(4)測量，其動作由伺服閥(11)驅動。6.根據權利要求1所述模塊式萬向加載試驗裝置，其特征在于，下位機控制器(7)由內環伺服控制器(12)、反饋信號調理電路(13)、伺服命令比較器(14)構成，反饋信號調理電路(13)接受來自位移傳感器(5)和力傳感器(4)的反饋信號，經過濾波、放大電路調理形成調理后反饋信號，伺服命令比較器(14)將目標信號與調理...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王濤，周惠蒙，李夢寧，滕睿，李海洋，高生，
申請(專利權)人：中國地震局工程力學研究所，北京固力同創工程科技有限公司，
類型：發明
國別省市：河北;13