基于Abaqus-Python的子結構擬動力混合試驗

摘 要：【目的】為提高結構混合試驗的真實性，搭建基于Abaqus-Python的子結構擬動力混合試驗系統(tǒng)。【方法】借助Abaqus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)多功能測試設備之間的通信，搭建子結構擬動力混合試驗系統(tǒng)?！窘Y果】對含黏彈性阻尼器的多層框架結構進行混合試驗，其時程響應結果與Abauqs整體模擬結果擬合較好?！窘Y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。

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

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，以此更好地推進結構混合試驗的廣泛應用［6］。美國加州大學伯克利分校開發(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)絡化結構實驗室—Netslab，建立了結構混合仿真試驗的初步框架。楊格等［12］自主開發(fā)了建筑結構混合試驗平臺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，在結構混合試驗的研究中，數(shù)值子結構的模擬通常采用自主編制的數(shù)值積分算法來實現(xiàn)，為了對更為復雜的模型進行結構混合試驗，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)值子結構進行更真實的模擬，且能提高結構混合試驗的效率。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，也被應用到混合試驗中。目前，試驗設備及其控制系統(tǒng)的設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)了子結構間數(shù)據(jù)傳輸，降低了結構混合試驗的門檻，研究人員可以根據(jù)自身實驗室設備及研究要求，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，本研究通過對結構混合試驗系統(tǒng)開發(fā)的關鍵問題進行分析，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的子結構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 結構混合試驗系統(tǒng)的搭建及試驗流程

1.1 結構混合試驗系統(tǒng)的組成

本研究所搭建的結構混合試驗系統(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，結構混合試驗系統(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試驗設備公司提供的LFV-L型動態(tài)多功能測試設備，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)絡協(xié)議的socket通信，能夠實現(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)與服務器的連接。

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

1.2 結構混合試驗流程

首先，在Abaqus軟件中進行第一個子步的數(shù)值子結構模擬，得到結構在地震作用下的響應；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，待試驗子結構執(zhí)行相應動作并得到反饋力后，將反饋力發(fā)送至數(shù)值子結構，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)送至試驗子結構部分，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。子結構擬動力混合試驗試驗流程如圖2所示。

2 基于Abaqus-Python的子結構擬動力混合試驗

本研究基于Abaqus-Python軟件所搭建的結構混合試驗系統(tǒng)，以一個含黏彈性阻尼器的多層多跨平面鋼框架為例，進行結構混合試驗。首先，為探究socket通信機制在Abaqus與Python程序之間的可行性，對結構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，試驗子結構—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，其余結構為數(shù)值子結構，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，預測試驗結果。隨后，對同一結構進行真實的混合試驗，并將虛擬、真實的混合試驗與Abaqus軟件整體模擬結果進行對比，驗證基于Abaqus的子結構擬動力混合試驗系統(tǒng)的可行性及通用性。

2.1 試驗模型及相關參數(shù)

試驗子結構如圖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)結構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，并獲取其相關力學性能參數(shù)見表1。

結構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)分析得到該框架結構的阻尼系數(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 試驗結果與分析

節(jié)點時程響應曲線如圖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。將虛擬混合試驗結果與Abaqus模擬結果進行對比得出兩者曲線擬合較好。位移結果數(shù)據(jù)誤差最大為0.096 mm，誤差百分比為7.3％；速度結果數(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。

將真實混合試驗結果與Abaqus模擬結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)值子結構計算過程中，試驗子結構的加載存在時滯效應，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構混合試驗和Abaqus軟件整體模擬之間的誤差。

3 結論

本研究根據(jù)結構混合試驗將物理試驗和數(shù)值模擬相結合的特點，搭建了基于Abaqus-Python的子結構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，主要結論如下。

①對比同一結構虛擬混合試驗與Abaqus整體模擬結果，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將真實混合試驗結果與Abaqus整體模擬結果對比可知，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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