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中文譯文 標題: 數(shù)控簡單剪切儀動態(tài)土壤測試 作者: 果皮,Pendo M,輝西 斯圖爾特,喬納森·P,加州大學洛杉磯分校 Venugopal,拉維,Sysendes公司。 出版日期: 01-01-2007 系列: 加州大學洛杉磯先前發(fā)表的作品 發(fā)布信息: 加州大學洛杉磯先前發(fā)表的作品,加州大學洛杉磯 附加信息: 版權(quán)2007年,ASTM,http://journalsip.astm.org/ 原始引用: 果皮,斯圖爾特,摩根,d.h。,Venugopal,r .(2007)?！皵?shù)控簡單剪切設(shè)備動態(tài)土壤測試”,Geotech。測試日報,ASTM,30(5),368 - 377。 數(shù)控剪切裝置簡單動態(tài)土壤測試 文摘:我們描述的特征簡單剪切裝置能力運用現(xiàn)實的多向地震荷載對土 標本。這個裝置,文中稱為數(shù)控簡單剪切(直流ss)裝置,包括功能,如伺服液壓控制的驅(qū)動和真正的數(shù)字控制克服控制的局限性,一些之前的動態(tài)土壤測試機器。該設(shè)備是顯示有能力正弦和寬帶的復(fù)制命令信號在一個廣泛的頻率和振幅,雖然設(shè)備有限控制能力非常小的命令位移(少于大約0.005毫米)。小變形限制結(jié)果從噪聲介紹了控制系統(tǒng)的反饋信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。我們證明,雙向命令信號準確地傳授與最小交叉耦合,結(jié)果從一個創(chuàng)新的多輸入多輸出的數(shù)字控制系統(tǒng)。這個功能的設(shè)備演示一系列寬帶測試標本非飽和土受到uni -和雙向勵磁。 關(guān)鍵詞:數(shù)字控制,簡單的剪切、動態(tài)土壤測試、多向加載 介紹 直接簡單的剪切設(shè)備已經(jīng)成功運用多年來描述靜態(tài)和動態(tài)土屬性。這測試方法往往是首選當它是可取的標本來體驗光滑、連續(xù)的旋轉(zhuǎn)主應(yīng)力方向在剪切。初始應(yīng)力可以應(yīng)用模擬靜態(tài)字段條件當鋼絲增強利用膜,減少橫向變形樣品(即。,NGI-type配置,Bjerrum和Landva1966)。也許最常見的應(yīng)用程序的簡單剪切試驗對仿真的垂直(或近垂直)剪切波傳播通過土柱。優(yōu)點和局限性簡單的剪切測試相對于其他類型的實驗室測試描述了在其他地方,這里不再重復(fù)(比如,菜的et al。1972;沈et al。1978;薩達et al。1982;Vucetic和拉卡斯提花1982;1985;Budhu Bhatia et al。1985;Amer et al。1987;Airey和木材1987;Budhu和Britto 1987;雅et al。1993)。 最簡單的剪切設(shè)備運行在一個水平方向并應(yīng)用諧波載荷頻率一般慢于動態(tài)過程,如地震搖晃(如。,Tatsuoka和銀1981;Doroudian和Vucetic 1995;和Pfender Lefebvre 1996;瑞艾莫和種子1997;Kusakabe et al。1999年,Hazirbaba和Rathje 2004)。雖然總是有近似參與應(yīng)用在實驗室土壤特性測量對現(xiàn)場條件,對現(xiàn)有設(shè)備無法提供快速、多向加載介紹進一步的錯誤未知的意義當實驗室測量土壤屬性用于工程模擬。 一個數(shù)量的簡單剪切設(shè)備已經(jīng)被發(fā)展調(diào)查土壤響應(yīng)多向加載(如。,石原和山崎1980;雅et al。1993;DeGroot et al . 1996)。加州大學伯克利分校的雙向循環(huán)簡單剪切(UCB-2D)裝置是值得注意的,因為它明顯減少了機械合規(guī)問題,導(dǎo)致相對最高/基地帽搖擺在早期的設(shè)備(如。,石原和山崎1980;石原和“1988)。另一個顯著的特點UCB-2D設(shè)備是燃燒室壓力控制,方便背壓飽和。 校長UCB-2D設(shè)備本身的限制,早期的設(shè)備,是他們無法應(yīng)用地震像寬帶裝貨嗎在快速位移率。這種限制也存在對大多數(shù)單向簡單剪切設(shè)備。其原因是雙重的:(1)氣動加載系統(tǒng)使用一個可壓縮流體(即。、空氣) 其中介紹了重大錯誤的反饋回路在高頻段;和(2)數(shù)字監(jiān)督模擬控制器被雇用這有效地限制處理速度和成熟的控制算法。當然,振動臺和離心機實驗都能使用多方向的地震像加載到土壤模型(即。,派克et al。1975;1998年andYanagisawa Jafarzadeh的說法;Kutter 1995;威爾遜et al . 2004)。然而,直接測量土壤元素的響應(yīng)(例如,剪切應(yīng)力剪切應(yīng)變關(guān)系、體積應(yīng)變和孔隙水壓力)在這些類型的實驗需要密集的儀表數(shù)組,可以影響響應(yīng)他們的目的是措施,從而使復(fù)雜數(shù)據(jù)解釋(如。,困難et al . 2005)。 圖1 應(yīng)用的能力,可靠程度的控制,多向加載在一個很寬的頻率范圍內(nèi),土壤元素在實驗室是至關(guān)重要的推進我們的根本理解動態(tài)土壤屬性。例如,寬帶裝載能力是需要調(diào)查率影響土壤手稿收到2006年3月1日,1月28日發(fā)表2007年,2007年5月在線發(fā)表。1研究生研究員,副教授和副主席,分別土木工程系&大學環(huán)境工程加利福尼亞,洛杉磯,5731年洛杉磯消沉大廳CA 90095。2工程師,指數(shù)失效分析,320年,200套房,歐文戈達德,CA92618年。3創(chuàng)始人和高級咨詢顧問工程師,Sysendes,Inc .,1804 m,套件4、蒙特利爾、QC H3H 1硅陶瓷、加拿大的觀點和結(jié)論包含在本文檔的作者和不應(yīng)被解釋為一定代表官方的政策,明示或暗示,美國政府。巖土測試日報,卷。30,5號紙ID GTJ100518可以在www.astm.org368年版權(quán)?2007年由ASTM國際,100年巴爾港驅(qū)動器,PO Box,西Conshohocken C700,PA 19428 - 2959。屬性,人們知道這是重要的對于粘土(如。,Lefebvre和Pfender 1996;Sheahan et al . 1996)。此外,效果剪切速率和2 d裝載在孔隙壓力生成或體積改變行為,或兩者兼而有之,是了解較少,需要進一步調(diào)查一些土壤類型。為了滿足這些研究需要,一個簡單的剪切設(shè)備現(xiàn)場數(shù)控與能力室壓力控制和多向激勵一直發(fā)達。這個裝置,文中稱為現(xiàn)場數(shù)控簡單剪切(直流ss)裝置合并功能,如伺服液壓控制的驅(qū)動和真正的數(shù)字控制克服的局限性先前的動態(tài)土壤測試機器。結(jié)果是一個真正獨特的簡單剪切裝置的功能應(yīng)用寬帶(地震像)位移要求土壤標本在兩個方向,用最小的交叉耦合水平運動。在本文中,我們描述這個裝置和它的功能動態(tài)土壤測試。 物理描述直流ss裝置 機械設(shè)計的直流ss裝置使用了UCB-2D的裝置作為一個原型(面包師et al . 1993)。這個直流ss裝置是專為了保留的主要特征UCB-2D設(shè)備如包含細胞壓力的目的背壓飽和,有限的機械遵守尊重對簡單剪切邊界條件(如。,頂部和基板“搖擺”),和雙向加載功能。除了這些特性,直流ss裝置結(jié)合了幾種改進設(shè)計相對于UCB-2D裝置包括:我使用一個三郵報框架與高績效跟蹤軸承(容納垂直位移的頂罩),以進一步降低搖擺;二世一個伺服液壓控制的控制系統(tǒng),使高頻率加載;iii雙重軸負載細胞獲得職位摩擦剪切載荷的測量。 圖1顯示了大會的直流ss裝置。照片的直流ss設(shè)備顯示在圖2。直流黨衛(wèi)軍的設(shè)備是用來測試圓柱土壤標本與直徑10.2厘米或更少。這個標本是位于相對嚴格的底部和頂部帽(圖1、圖2(b))和通常局限由一線增強膜。見圖2(c),水平(頂部和底部)面臨的標本被限制的帽子,它含有細磨石epoxied變成一個休會覆蓋整個臉的帽子除了保持嘴唇的鋁在邊緣。這些帽子提供一個“摩擦”表面同時使排水進入多孔石頭如果石頭不飽和(石頭可以飽和對不排水試驗)。這個上蓋/樣品/下蓋堆棧頂部之間的位置和底部適配器板圖1所示。底部帽適合一個休息在底部適配器板。適配器板頂部輕輕地降低,這樣休息在頂端的適配器板適合舒適地覆蓋在頂蓋。頂部和底部帽是緊緊在各自的適配器板由三個固定螺絲在每個板。一旦樣品是獲得兩個適配器板之間,三個LVDTs間距分布樣品安裝在頂部適配器板和固定在板通過螺釘。這個標本是然后合并垂直應(yīng)力和準備剪切載荷。 圖2 頂部適配器板是一種垂直表,進而是附加到一個垂直負載細胞(圖1)。垂直負載轉(zhuǎn)移到標本通過垂直表,這是附加的三個等距線性幻燈片。每個三個線性幻燈片附屬于一個單獨的帖子,有效防止側(cè)運動和搖擺的垂直表(因此,實際上無花果。1原理的直流ss裝置在加利福尼亞大學洛杉磯分校。果皮ET AL。在數(shù)控簡單剪切儀369來說,標本)。這是一個重要的三郵報框架改善UCB-2D設(shè)備,雇傭了一個懸臂系統(tǒng)(垂直表附加到一對跟蹤軸承沿相同的墻)。負載應(yīng)用于垂直表由氣動執(zhí)行機構(gòu)安裝在主框架之外。 一個重要的功能的設(shè)備,直流黨衛(wèi)軍留存從UCB-2D裝置是其雙向加載功能。橫向剪切載荷應(yīng)用在該基地的標本通過兩個獨立控制的水平表。底部水平表安裝在線性幻燈片附加到主框架的裝置,這表是只自由移動 一個水平方向。上層水平表也安裝在線性幻燈片,這樣運動上層表是完全垂直于下表。兩個水平表可以控制產(chǎn)生凈合成的運動底部適配器板在任何水平方向。加載應(yīng)用較低水平表通過螺紋棒相連致動器,可以應(yīng)用張力和壓縮。有一個tensioncapable輥之間連接上層表及其執(zhí)行機構(gòu)以適應(yīng)垂直位移下表。負載應(yīng)用到表loadcells來衡量安裝執(zhí)行機構(gòu)和表之間。負荷測量由loadcells不相同,那些傳授標本由于摩擦而在線性的幻燈片。這個巨大的摩擦加載系統(tǒng)中的表征,觀察到相當小(大約2.2 N)。這一點的重要性摩擦負載取決于什么類型的測試,是理想的。這種摩擦負載將產(chǎn)生不準確的(大約0.3 kPa10.2厘米直徑試樣),代表比例可以忽略不計的剪切應(yīng)力對大多數(shù)應(yīng)用程序。然而,如果很低應(yīng)力測量是必要的,帖子摩擦剪切應(yīng)力可以通過使用一個雙軸loadcell測量。這種雙軸loadcell適合在頂部之間適配器板和垂直表,一個空間,否則占用墊塊。這種雙軸loadcell能夠測量兩個垂直和剪切載荷同時以最小的相聲這些通道之間。然而,存在的雙軸loadcell介紹系統(tǒng)遵從性(即搖擺和垂直變形),可能是重要的在大中型菌株。因此,大多數(shù)測試執(zhí)行沒有雙軸loadcell到位。 三LVDTs(線性可變差動傳感器),安裝頂部和底部之間的適配器板,用于測量垂直標本變形。這些位置的LVDTs最小化錯誤由于機械合規(guī)。這三個LVDTs是用,這樣相對搖擺的標本在兩個方向的加載可以測量。三LVDTs數(shù)據(jù)的平均值定義試樣高度在一個測試。水平變形是衡量兩個LVDTs安裝在水平表在嗎正交的方向。 設(shè)備的直流黨衛(wèi)軍下運作的“應(yīng)變控制”的條件下,這意味著表位移控制和執(zhí)行機構(gòu)力量必須實現(xiàn)這些位移測量。這個運動,可以傳授表是有限的不同方面的控制系統(tǒng)對不同頻段。在低頻率f0 24赫茲,限制因素是峰致動器位移umax = 51毫米。在中間頻率0.24 Hzf15赫茲,限制因素是流量的能力伺服閥的Qmax = 158立方厘米/秒。在頻率f15赫茲,的制約因素是壓力能力的液壓泵pmax = 21 MPa。的情況下諧波控制信號,這些數(shù)量可以與相關(guān)的峰值表動作如下: U(t) = D sin（wt） ≤umax (1) u˙ (t) = D w cos（wt）≤ Qmax/A (2) u¨ (t) = ? D w2sin（wt）≤pmaxA/m (3) 圖3 在ut及其衍生產(chǎn)品描述表位移,速度,和加速度,一個是執(zhí)行機構(gòu)的橫截面積20.3平方厘米,m是表質(zhì)量5.7公斤,和頻率表運動(按弧度/秒)。相應(yīng)的峰值位移值,速度和加速度給出了圖3?？刂葡到y(tǒng)能產(chǎn)生任何運動,是在的限制線在圖3。 油柱的理論頻率的致動器表系統(tǒng)給出了孔蒂和特龍貝蒂(2000):哪里是體積彈性模量的液壓流體1.7106 kPa嗎和V是原油的體積是463立方厘米的致動器。身體上,油柱頻率代表自然頻率的三液壓執(zhí)行器系統(tǒng),它可以被可視化為表質(zhì)量與彈簧連接有一個剛度定義的油柱在致動器室。對于命令信號頻率油柱頻率附近,表現(xiàn)為執(zhí)行機構(gòu)可以是有限的由于共振行為(如。,孔蒂和特龍貝蒂2000)。 直流ss控制系統(tǒng) 如圖4中,數(shù)字控制系統(tǒng)的直流黨衛(wèi)軍設(shè)備有兩個目的。第一個是提供控制信號直接驅(qū)動,驅(qū)動液壓作動器servovalves為每個軸(直接驅(qū)動servovalves有機載控制器,糾正跟蹤誤差在控制信號在開車前液壓致動器)。第二個目的是獲得LVDTs數(shù)據(jù)和loadcells。這里指的物理設(shè)備作為直流黨衛(wèi)軍是最初開發(fā)了一個基于pc的數(shù)字監(jiān)督模擬控制系統(tǒng)。這個控制系統(tǒng)使用PID(比例-積分導(dǎo)數(shù))控制算法,跑在一個Windows?操作系統(tǒng)。主要問題控制系統(tǒng)延時處理過程中的反饋信號從儀器(如(LVDT)和一代的命令信號。這限制了設(shè)備的能力,準確復(fù)制一些命令信號。這些問題尤其急性加載功能涉及快速度和2 d搖動。 圖4 該系統(tǒng)已成功用于以前的測試(例如,用力的et al。2004;重擊et al。2005),盡管這些應(yīng)用程序涉及單向震動和1.0赫茲加載頻率,所以控制問題相關(guān)的基于pc的系統(tǒng)沒有顯著的。控制系統(tǒng)目前設(shè)備使用一個系統(tǒng)所為硬實時數(shù)字控制。主要區(qū)別基于pc的數(shù)字控制是控制功能被實現(xiàn)在控制器板相對于個人電腦操作系統(tǒng)。這使保證采樣頻率的內(nèi)部反饋回路的5 kHz使用位移反饋水平LVDTs,而基于pc的數(shù)字監(jiān)督模擬控制系統(tǒng)通常不能可靠地執(zhí)行計算需要復(fù)雜的控制反饋采樣頻率高于200赫茲,根據(jù)處理器時鐘速度,控制算法復(fù)雜,數(shù)量的后臺進行由個人電腦操作系統(tǒng)等。數(shù)字控制系統(tǒng)利用兩個dSPACE DS1104控制器板。每個板包含一個PowerPC 603 e處理器,四個16位2 s模擬數(shù)字(A / D)轉(zhuǎn)換器,四個12位A / D轉(zhuǎn)換器800 ns和8個16位位十年代數(shù)模轉(zhuǎn)換(D / A)轉(zhuǎn)換器,除了其他輸入/輸出端口。這兩個板安裝在在一個PCI插槽主機電腦但運行他們自己的實時內(nèi)核(即。,一個操作系統(tǒng)專門針對控制功能)獨立于主機電腦的操作系統(tǒng)。 一個PID控制算法實現(xiàn)了兩個基于pc和硬實時數(shù)字控制。這被稱為隨后隨著“PID控制器”。收益為PID控制器是調(diào)諧為獲得最佳性能試錯用階梯函數(shù)命令信號。PID控制器的輸出是一個數(shù)字電壓命令,發(fā)送到一個穆格公司電壓放大器通過的D / A頻道在dSPACE板。電壓放大器,反過來,發(fā)送一個電壓驅(qū)動信號到適當?shù)膱?zhí)行機構(gòu)伺服閥。見圖5(一個)、PID控制的兩個軸都是獨立的,從而控制系統(tǒng)作為一個整體無法補償對于交叉耦合效應(yīng)(即：影響,運動沿一個軸在運動沿著第二軸)。 圖5 為了減少交叉耦合效應(yīng),數(shù)字控制系統(tǒng)是通過引入一個多輸入多multipleoutput增強(MIMO)控制算法與PID控制器的接口。見圖5(b),該控制器采用線性差動變換器反饋兩軸和生成一個補償指令信號對于每個PID控制器,考慮到交叉耦合效果?？刂破鞯脑O(shè)計和實現(xiàn)為一個離散狀態(tài)空間系統(tǒng)使用LQG(線性二次-高斯)最優(yōu)控制方法(富蘭克林et al . 1990)。這方法需要估計的數(shù)量,反映四個經(jīng)驗系統(tǒng)屬性。這是通過使用N4SID系統(tǒng)識別算法(Van Overschee和德沼澤1995)系統(tǒng)辨識算法操作輸入-輸出數(shù)據(jù)序列;用于此目的的數(shù)據(jù)是兩個不相關(guān)的隨機輸入(生成的PID控制器)和相應(yīng)的線性差動變換器輸出信號。 結(jié)合MIMO的控制算法,以及兩個PID控制器是指后來的“mimo PID”控制器。設(shè)備配置的直流黨衛(wèi)軍,MIMO算法可以打開或關(guān)閉。因此,要么PID或mimo PID嗎數(shù)字控制的實驗是可能的。數(shù)據(jù)采集功能無論是模式總結(jié)如下: ?輸入運動時間步:不實用的下限; ?數(shù)量的輸入運動數(shù)據(jù)點:不實用的上限; ?反饋采樣頻率(即。,內(nèi)部頻率對反饋回路):5 kHz; ?數(shù)據(jù)記錄頻率:上界是5 kHz,可以downsampled作為需要。 直流ss系統(tǒng)性能 性能的評價系統(tǒng)的直流黨衛(wèi)軍(即。,控制器,泵、致動器、伺服閥),兩個諧波和寬帶地震輸入運動被指定為PID控制器和的控制器和由此產(chǎn)生的mimo pid反饋信號測量。單向測試進行評估性能每個軸的獨立,并提供基線結(jié)果相互影響的評估。雙向加載軸之間的交叉耦合進行評估。 鳴謝 開發(fā)的設(shè)備支持直流黨衛(wèi)軍職業(yè)美國國家科學基金會的資助下,第二個作者(NSF獲獎號:9733113),亨利Samueli學校的工程和應(yīng)用科學大學洛杉磯分校和美國地質(zhì)調(diào)查顯示,國家地震災(zāi)害減少計劃,獎號。1434 - hg - 98 gr - 00037、05 hqgr0050。這種支持是感激地承認。這個觀點和結(jié)論包含在這個文檔是作者的,不應(yīng)該解釋為一定代表官方的政策,要么表示或暗示,美國政府。帕特里克·m·史密斯和哈羅德·卡斯珀是感謝他們的相當大的貢獻發(fā)展的物理設(shè)備。我們感謝三匿名評論者對他們有用的手稿評論。