考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统

摘要

本发明属于土木工程试验装置技术领域，公开了一种考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统，解决了已有的拟静力和拟动力加载设备在土木工程结构的模型试验中的受力状态与实际情况存在显著差异的问题。该考虑真实复杂边界条件的结构多维动力加载试验系统包括主机部分、底座部分、液压动力源和控制系统。该系统能更好、更准确地模拟出结构在真实工作环境中所承受的载荷，实现其在空间六自由度的多维载荷加载，可以为钢筋混凝土材料、构件和结构在地震作用下的破坏研究提供更真实、更有实际价值的实验数据，其研究成果将会有助于科研人员进一步揭示钢筋混凝土结构的破坏机理、提出相应的破坏准则、并发展相应的抗震设计方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统，属于土木工程试验装置技术领域。

背景技术

地震中工程结构的破坏和倒塌是造成经济损失和人员伤亡的主要原因。揭示工程结构的地震破坏机理并提出有效的抗震设计方法，对于降低结构地震响应、保证人民生命财产安全具有重要意义。由于地震机制和结构抗震性能的复杂性，人们不得不进行抗震模型试验以补充理论分析的不足。但是在现有的抗震模型试验中，结构或构件的受力状态与实际情况存在显著差异。在结构模型抗震试验方法中，存在模型缩尺导致的严重尺寸效应问题；而人们欲详细研究和刻画破坏形态和破坏机理的构件试验，又无法模拟地震中的多维加载和真实复杂边界条件。因此，需要一种能够模拟结构更加真实复杂受力状态的抗震试验设备，进一步揭示工程结构在地震作用下的破坏机理，提出更加有效的结构破坏准则并形成可行的抗震设计方法，来保障工程结构在强震中的安全性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种能够模拟结构真实复杂边界条件的多维动力加载抗震试验设备。

本发明的技术方案如下：

所述主机部分包括2个水平方向部件和1个竖直方向部件，3个部件实现对测试件上下左右前后六个方向的多维动力加载；所述2个水平方向部件互相垂直，且其组成和工作原理相同；所述水平方向部件包括2个反力块4、2个复杂边界条件作动系统5、4根丝杠6、2个电机7、8个丝母8、8个涨紧轮11、2个导轨2、4个车轮组件3和链条10，其中每个反力块4外侧固定有1个电机7、4个丝母8和4个涨紧轮11，内侧固定有1个复杂边界条件作动系统5；丝杠6两端分别垂直穿过2个相对的反力块4，并通过丝母8与反力块4连接；导轨2固定在底座1上，反力块4通过车轮组件3与导轨2连接；电机7与同侧的4个丝母8和4个涨紧轮11通过传动链条10连接；工作时，电机7带动涨紧轮11转动，然后通过链条10带动4个丝母8转动，从而带动反力块4沿导轨2移动来调整试验空间和复杂边界条件作动系统5的位置；所述竖直方向部件包括1个反力块4、1个电机7、4个丝母8，4个涨紧轮11、4根丝杆6、2个复杂边界条件作动系统5和链条10，其中反力块4外侧固定有1个电机7、4个丝母8和4个涨紧轮11，内侧固定有1个复杂边界条件作动系统5，另一个复杂边界条件作动系统5固定在底座1上；丝杠6一端固定在底座1上，另一端垂直穿过反力块4并通过丝母8与反力块4连接，电机7与同侧的4个丝母8和4个涨紧轮11通过传动链条10连接；工作时，电机7带动涨紧轮11转动，然后通过链条10带动4个丝母8旋转，从而带动反力块4沿竖直方向移动来调整试验空间和复杂边界条件作动系统5；

所述复杂边界条件作动系统实现六自由度边界载荷模拟，即分别沿X、Y、Z三个方向移动和分别绕X、Y、Z三个方向转动的六个自由度；所述复杂边界条件作动系统包括7个作动器、机架12和末端运动平台16，其中7个作动器包括2个X向作动器13、1个Y向作动器14和4个Z向作动器15；工作时，7个作动器协调运动加载，支撑末端运动平台16，对检测件9实现拉、压、弯、剪、扭或其组合的载荷加载；

所述作动器包括2个机械万向铰17和伺服液压缸18；所述2个机械万向铰17之间为伺服液压缸18；作动器通过2个机械万向铰分别在不同方向上与机架12和末端运动平台16固定在一起；液压动力源在控制系统控制下为伺服液压缸18提供液压动力。

本发明的有益效果：本发明提出的考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统是一种新型的六自由度多维动力加载试验系统，与现有技术相比，该系统能更好、更准确地模拟出结构在真实工作环境中所承受的载荷，实现其在空间六自由度的多维动力加载，可以为钢筋混凝土材料、构件和结构在地震作用下的破坏研究提供更真实、更有实际价值的实验数据，其研究成果将会有助于科研人员进一步揭示钢筋混凝土结构的破坏机理、提出相应的破坏准则、并发展相应的抗震设计方法。

附图说明

图1为本发明考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统的实验示意图；

图2为复杂边界条件作动系统示意图；

图3为作动器示意图；

图中，1：底座，2：导轨，3：车轮组件，4：反力块，5：复杂边界条件作动系统，6：丝杠，7：电机，8：丝母，9：检测件，10：链条，11：涨紧轮，12：机架，13：X向作动器，14：Y向作动器，15：Z向作动器，16：末端运动平台，17：机械万向铰，18：伺服液压缸。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统，包括主机部分、底座部分、液压动力源(液压动力源为现有技术，在此不再赘述)和控制系统(控制系统为现有技术，在此不再赘述)，主机部分为此系统的核心部分。

参考图1，所述主机部分包括2个水平方向部件和1个竖直方向部件，3个部件实现对测试件上下左右前后六个方向的多维动力加载；2个水平方向部件垂直，且其组成和工作原理相同；所述水平方向部件包括2个反力块4、2个复杂边界条件作动系统5、4根丝杠6、2个电机7、8个丝母8、8个涨紧轮11、2个导轨2、4个车轮组件3和链条10，其中每个反力块4外侧固定有1个电机7、4个丝母8和4个涨紧轮11，内侧固定有1个复杂边界条件作动系统5，丝杠6垂直穿过2个反力块4并通过丝母8与反力块连接，导轨2固定在底座1上，反力块4通过车轮组件3与导轨2连接，电机7与同侧的4个丝母8和4个涨紧轮11通过传动链条10连接；工作时，电机7带动链轮转动，然后通过链条10带动4个丝母8转动，从而带动反力块4沿导轨2移动来达到调整试验空间和复杂边界条件作动系统位置的目的；所述竖直方向部件包括1个反力块、1个电机、4个丝母，4个涨紧轮、4根丝杆、2个复杂边界条件作动系统和链条，其中反力块外侧固定有1个电机、4个丝母和4个涨紧轮，内侧固定有1个复杂边界条件作动系统，另一个复杂边界条件作动系统固定在底座上，丝杠一端固定在底座上，另一端垂直穿过反力块并通过丝母与反力块连接，电机与同侧的4个丝母和4个涨紧轮通过传动链条连接；工作时，电机带动链轮转动，然后通过链条带动4个丝母旋转，从而带动反力块沿竖直方向移动来达到调整试验空间和复杂边界条件作动系统位置的目的。

参考图2，所述复杂边界条件作动系统可以实现六自由度边界载荷模拟，即分别沿X、Y、Z三个方向移动和分别绕X、Y、Z三个方向转动的六个自由度；所述复杂边界条件作动系统包括7个作动器、机架12和末端运动平台16，其中7个作动器包括2个X向作动器13，1个Y向作动器14，4个Z向作动器15；工作时，7个作动器协调运动加载，支撑末端运动平台16，可对检测件9实现拉、压、弯、剪、扭或其组合等不同形式的载荷加载。

参考图3，所述作动器包括2个机械万向铰17和伺服液压缸18；所述2个机械万向铰17之间为伺服液压缸18，机械万向铰17在任何方向都可以旋转；作动器通过2个机械万向铰分别在不同方向上与机架12和末端运动平台16固定在一起；液压动力源在控制系统控制下为伺服液压缸18提供液压动力。

考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统的试验使用方法：

参考图1，考虑真实复杂边界条件的结构多维加载试验系统对检测件9进行试验时，首先通过移动反力块将检测件9放置于合适试验空间，检测件9的两端与2个竖直方向复杂边界条件作动系统5的末端运动平台16连接；当作动器运动加载时，产生的载荷通过末端运动平台16施加到检测件9上，在检测件9的边界处同时产生沿三个轴的移动和绕三个轴的转动，检测件9边界受到的载荷会随着作动器载荷的变化而发生响应的变化，实现了六自由度的协调加载，真实模拟了结构在边界处的载荷；由此可以获得更加真实、准确的力学性能试验数据，为科研人员的进一步研究奠定基础。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的考虑真实复杂边界条件的结构多维静动力加载试验系统。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。