模块式万向加载试验装置制造方法及图纸

模块式万向加载试验装置，涉及一种结构试验加载装置。本发明专利技术的目的是解决试验体空间多自由度耦合加载和多维力/位移混合控制的问题。本发明专利技术包括上台面、下台面、作动器、力传感器、位移传感器、机械万向铰、下位机控制器、坐标转换器、模式控制器、上位机控制器、系统集成控制器、数值子结构。本发明专利技术采用并联运动机制实现空间任意方向的位移加载的能力，采用双闭环控制策略实现加载装置多自由度力和位移的混合控制，本发明专利技术轴向加载能力大，可解决空间加载装置力控制加载难题，可以进行混合试验，并能组合多模块对复杂构件加载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可向空间任何方向加载的模块化空间加载试验装置，用于大型土木工程结构的抗震试验，属于地震工程和结构工程领域。
技术介绍
在严重的外界荷载(强震、强风等)作用下，工程结构将产生大变形乃至发生开裂和倒塌。超出线弹性阶段的基于不同极限状态的性能设计是当前土木工程防灾研究的热点之一。为实现这一先进的设计思想、进一步提高对结构灾变行为的把握，提高其防灾减灾能力，有赖于基础研究的加强。涉及结构复杂力学性态模拟的理论和方法，基于现代计算技术而得以迅速发展的高精度数值模拟是必由之路，但这必须以实践观察和物理实验测试结果为依据。并通过实验研究验证结构计算分析理论，发展新的数学力学模型，最终达到提高计算精度并改善结构工程设计进而实现防震减灾目标的目的。随着我国综合国力的增强，各地的科研院所先后兴建了一些大型的试验装置，比如大型地震模拟振动台和台阵、拟动力试验装置、大吨位静力加载装置等，可以满足部分土木工程试验需要。但是目前的静力往复加载装置大多只能实现单向或双向受力状态，且不能模拟地震和风振的动力效应。振动台装置可进行地震模拟实验，但限于整体模型的尺寸，不能得出原型构件的本构关系。拟动力装置可进行大尺寸试件的三向受力实验，但难以模拟复杂的边界约束条件及动力硬化效应。因此，需要开发可实现三向加载、具备多自由度全边界控制能力、模拟复杂边界条件的实验装置。本专利技术模块式万向加载试验装置采用Stewart并联机构，在三向六自由度位移控制的基础上，引入力-位移混合控制，进一步考虑设备与非线性试验体的耦合，引入鲁棒性更强的滑动模态控制算法，进行加载边界上多自由度的解耦和混合控制模式。Stewart并联机构虽然在机械、航空、航天、船舶、汽车、医疗器械等领域得到广泛研究与应用，但将Stewart平台应用于土木工程领域，实现负载结构加载和边界条件的模拟是本项目首次提出，主要是为了研究土木工程结构在复杂受力条件下的本构关系，研究构件或子结构在严格边界条件下的力学性能和地震响应，因此该设备应具备如下特点：(1)可进行大型试件的多维、动态本构关系试验，具备拉、压、剪、扭等能力；(2)组合式加载模块，以实现多领域的研究需求；和(3)多自由度解耦控制，这是进行多自由度控制的关键技术问题。与国内外已建成的大型空间加载装置相比，本专利技术的模块化万向加载加载装置更加灵活，多台联合使用可构建复杂的空间加载平台。与功能相对单一的压剪试验机和墙板试验机相比，其功能更加全面，可实现三维本构关系试验研究。本专利技术的模块化万向加载加载装置加载能力大，而且可实现快速加载，解决静力或拟动力试验中难以克服的加载速率影响，具备各个自由度之间、力和位移之间的混合控制模式，为再现复杂结构在空间受力状态下的动力灾变全过程提供可靠的试验本构关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术难以实现的空间多自由度力-位移混合加载问题。本专利技术采用并联运动平台机制，利用双闭环控制进行位移和力的正解，实现多自由度加载中的精确力控制。本专利技术的模块式万向加载试验装置包括上台面1、下台面2、作动器3、力传感器4、位移传感器5、机械万向铰6、下位机控制器7、坐标转换器8、模式控制器9、上位机控制器10，作动器6通过机械万向铰6与上台面1和下台面2分别连接，6台作动器形成并联运动机制，可控制上台面1在空间任何方向运动。所述模块式万向加载试验装置由上位机控制器10发出目标控制向量ui+1到模式控制器9，模式控制器9将目标控制向量和其模式控制类别转化为整体坐标系下的位移/力混合目标向量dci+1(t)，通过坐标转换器8将目标向量转化为作动器的目标信号lck，由下位机控制器7驱动6台作动器3对试验体进行加载，同时各个作动器的力传感器4和位移传感器5反馈信号mck，并由坐标转换器8转化为整体坐标系下的位移和力反馈向量YRi+1(t)，发送给上位机控制器10，通过比较后形成闭环控制。所述上台面1为万向加载试验装置的加载平面，试验中与试验体连接。所述下台面2为万向加载实验装置的反力部件，试验中与实验室反力墙或反力地板连接。所述作动器3的位移由位移传感器5测量，作用力由力传感器4测量，其动作由伺服阀11驱动。所述下位机控制器7由内环伺服控制器12、反馈信号调理电路13、伺服命令比较器14构成，反馈信号调理电路13接受来自位移传感器5和力传感器4的反馈信号，经过滤波、放大电路调理形成调理后反馈信号，伺服命令比较器14将目标信号与调理后反馈信号比较后生成比较信号发送给内环伺服控制器12，内环伺服控制器12采用PID控制，将比较信号转换为命令信号，驱动作动器3运动，下位机控制器具有6个通道，每个通道控制1台作动器3。所述坐标转换器8包括A/D变换模块15、D/A变换模块16和坐标变换矩阵计算模块17，将6台作动器的位移和力模拟信号经过A/D变换模块15后转化为数字信号，通过坐标变换矩阵计算模块17，得到上台面1整体坐标系下的位移和力，并将其传输给上位机控制器10，坐标转换器8的另一个功能是接收模式控制器9的数字目标信号，通过坐标变换矩阵计算模块17进行逆变换为6台作动器的目标值，通过D/A变换模块16转换为模拟信号，并传送给下位机控制器7作为其目标信号。所述模式控制器9具有摄动矩阵求解模块18、力位移转换模块19，摄动矩阵求解模块18在试验体连接后，采用摄动方法自动生成试验体刚度矩阵，力位移转换模块19根据上位机控制器10的目标信号和模式信号将相关目标值从位移转化为力或者从力转化为位移，并发送给坐标转换器8。所述上位机控制器10包括台式机20、数字命令比较器21、多输入多输出鲁棒控制器22和卡尔曼滤波器23，数字命令比较器21接收来自坐标转换器8的整体坐标系的力和位移信号，通过卡尔曼滤波器23后与整体坐标期望信号进行比较，生成比较信号，比较信号通过多输入多输出鲁棒控制器22后生成目标信号及模式信号发送给模式控制器9，数字命令比较器21、多输入多输出鲁棒控制器22和卡尔曼滤波器23均安装在台式机20内，台式机20具有与系统集成控制器24交互的接口。所述系统集成控制器24可与多台上位机控制器10进行交互，控制多台模块式万向加载装置进行复杂结构试验，也可与数值子结构25交换数据。本专利技术与现有装置相比具有以下效果：轴向加载能力大、水平方向各向基本同性，加载能力近似；作动器规格相同便于维护；各向加载能力分配比例可根据角度调整，可以实现结构试验领域中试验体精准边界条件加载的目标，可以与数值子结构协调加载，可以灵活配置多个模块化空间加载装置进行复杂试验体的加载。专利技术工作原理上位机控制器10包含多输入多输出鲁棒控制模块22，输入量和输出量信道数不少于6个，控制矩阵为6x6的方阵，其对角主元采用比例积分控制参数构成，也可采用滑动模态控制。当采用滑动模态控制时，可更好的控制非线性试验体的加载精度，此时，需基于控制对象(模式控制器9、坐标转换器8、作动器3和试验体组成的系统)的状态空间矩阵设计滑动模态控制器，基于整体坐标系位移和力反馈向量YRi+1(t)和目标控制向量ui+1设计卡尔曼滤波器23识别多维向量的状态量，由滑动模态在滑移面上的滑动来使多输入多输出系统对试验体非线性实现较好的解耦控制。坐标转换器8主要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块式万向加载试验装置，包括上台面(1)、下台面(2)、作动器(3)、力传感器(4)、位移传感器(5)、机械万向铰(6)、下位机控制器(7)、坐标转换器(8)、模式控制器(9)、上位机控制器(10)，每台作动器(3)均包括一台力传感器(4)和一台位移传感器(5)，并通过两台机械万向铰(6)与上台面(1)和下台面(2)相连接，下位机控制器(7)实现对单台作动器(3)进行位移控制，坐标转换器(8)、模式控制器(9)和上位机控制器(10)构成外环控制器，实现上台面(1)加载点在整体坐标系的6自由度力/位移混合控制，其特征在于：6台作动器形成并联运动机制，可控制上台面(1)在空间任何方向运动。

【技术特征摘要】
1.一种模块式万向加载试验装置，包括上台面(1)、下台面(2)、作动器(3)、力传感器(4)、位移传感器(5)、机械万向铰(6)、下位机控制器(7)、坐标转换器(8)、模式控制器(9)、上位机控制器(10)，每台作动器(3)均包括一台力传感器(4)和一台位移传感器(5)，并通过两台机械万向铰(6)与上台面(1)和下台面(2)相连接，下位机控制器(7)实现对单台作动器(3)进行位移控制，坐标转换器(8)、模式控制器(9)和上位机控制器(10)构成外环控制器，实现上台面(1)加载点在整体坐标系的6自由度力/位移混合控制，其特征在于：6台作动器形成并联运动机制，可控制上台面(1)在空间任何方向运动。2.根据权利要求1所述模块式万向加载试验装置，其特征在于，由上位机控制器(10)发出目标控制向量ui+1到模式控制器(9)，模式控制器(9)将目标控制向量和其模式控制类别转化为整体坐标系下的位移/力混合目标向量dci+1(t)，通过坐标转换器(8)将目标向量转化为作动器的目标信号lck，由下位机控制器(7)驱动6台作动器(3)对试验体进行加载，同时各个作动器的力传感器(4)和位移传感器(5)反馈信号mck，并由坐标转换器(8)转化为整体坐标系下的位移和力反馈向量YRi+1(t)，发送给上位机控制器(10)，通过比较后形成闭环控制。3.根据权利要求1所述模块式万向加载试验装置，其特征在于，上台面(1)为万向加载试验装置的加载平面，试验中与试验体连接。4.根据权利要求1所述模块式万向加载试验装置，其特征在于，下台面(2)为万向加载实验装置的反力部件，试验中与实验室反力墙或反力地板连接。5.根据权利要求1所述模块式万向加载试验装置，其特征在于，作动器(3)的位移由位移传感器(5)测量，作用力由力传感器(4)测量，其动作由伺服阀(11)驱动。6.根据权利要求1所述模块式万向加载试验装置，其特征在于，下位机控制器(7)由内环伺服控制器(12)、反馈信号调理电路(13)、伺服命令比较器(14)构成，反馈信号调理电路(13)接受来自位移传感器(5)和力传感器(4)的反馈信号，经过滤波、放大电路调理形成调理后反馈信号，伺服命令比较器(14)将目标信号与调理...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，周惠蒙，李梦宁，滕睿，李海洋，高生，
申请(专利权)人：中国地震局工程力学研究所，北京固力同创工程科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13