MTS 与明尼苏达大学开展合作,对级联控制的有效性进行了验证,级联控制是一种闭环控制方法,专用于高刚性子结构试件进行高保真混合实验。
级联控制采用双层闭环控制,以解决在混合实验期间,对高刚性物理试件执行分析模型的位移指令时遇到的挑战。为了评估新方法的有效性,MTS 的工程师(Shawn You、Shawn Gao 和 Brad Thoen)与明尼苏达大学 MAST 实验室的研究人员(Catherine French、Evan Cosgriff 和 Paul Bergson)进行合作,采用各种试件、测试系统、实验元件类型和测试速度,开展了一系列的实验。
级联控制包含一个接收 FEA(有限元分析)模型位移指令的外回路,以及为对位移很小或无位移的试件进行精确激励提供所需力控制的内回路。实验团队在 MTS Landmark 载荷框架和明尼苏达大学的多轴子结构加载测试 (MAST) 系统上进行了三个测试,分别对使用 FEA(有限元分析)仿真与级联控制和位移控制的混合试验进行了对比。经验证,在所有情况下,级联控制都能有效地对刚性试件进行混合试验。
测试案例 1:将 1940 年埃尔森特罗地震输入数据施加于 3D 单层、单跨框架结构的 FEA(有限元分析)模型和 MTS Landmark 载荷框架,对轴向刚度为 110 kN/mm 的铝柱进行测试。在 FEA(有限元分析)仿真和混合试验之间实现了良好的相关性,但相比于使用位移控制,使用级联控制测得的垂向力更为平滑。
测试案例 2:将 1940 年埃尔森特罗地震输入数据施加于 2D 单层、单跨框架结构的 FEA(有限元分析)模型和 MTS Landmark 载荷框架,对轴向刚度为 120 kN/mm 的钢桁架进行测试。在 FEA(有限元分析)仿真和混合试验之间实现了良好的相关性,但在低激励条件下,利用位移控制测得的轴向力呈现出了更高程度的波形失真。
测试案例 3:将 1994 年北岭市地震输入数据施加于 3D 三层、多跨框架结构的 FEA(有限元分析)模型和 6DOF(六自由度)MAST 系统,对垂向力为 418 kN/mm 的钢柱进行测试。在 FEA(有限元分析)仿真和混合试验之间实现了良好的相关性,不过,仍怀疑在噪声高于明尼苏达大学极低摩擦 MAST 系统的测试系统上,级联控制提供的结果可能会更加准确。