基于Abaqus-Python的子结构拟动力混合试验

摘 要：【目的】为提高结构混合试验的真实性，搭建基于Abaqus-Python的子结构拟动力混合试验系统。【方法】借助Abaqus软件代替自主编制的数值积分算法程序，利用Python语言编制数据接口程序，实现Abauqs软件与LFV-L型动态多功能测试设备之间的通信，搭建子结构拟动力混合试验系统。【结果】对含黏弹性阻尼器的多层框架结构进行混合试验，其时程响应结果与Abauqs整体模拟结果拟合较好。【结论】验证了所搭建的混合试验系统数据传输的准确性、可行性与通用性。

关键词：子结构技术；结构混合试验；Python；Abaqus；数据接口程序

中图分类号：TU317" " " 文献标志码：A" " 文章编号：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

传统的结构混合试验最先由Hakuno等［1］在20世纪60年代末提出，随后由Takanashi等［2］实现。子结构技术是将物理试验和数值模拟相结合，将结构力学行为较为复杂、非线性表现较强的部分作为试验子结构，通过试验直接获取其恢复力，剩余部分为数值子结构，通过计算机对其进行数值模拟，两部分在整体结构动力方程中统一，从而真实地反映结构在地震作用下的动力响应［3］。作为一种新型结构试验方法，子结构拟动力混合试验结合结构拟静力试验与振动台试验两种方法的优点，既能灵活适应结构的特性，避免振动台试验的尺寸效应［4］，又能解决纯数值仿真对强非线性结构模拟的困扰［5］，能够全面、准确地进行结构抗震性能分析。

研究人员为了更加灵活、方便地开展混合试验，集成试验设备与计算机模拟的功能，开发出具有通用性的混合试验平台，以此更好地推进结构混合试验的广泛应用［6］。美国加州大学伯克利分校开发了开源有限元软件OpenSees，将其作为数值模拟软件，并研制了接口软件OpenFresco，将MTS液压控制系统作为试验控制系统，建立了一套混合试验系统［7］。其中OpenFresco的主要功能是为数值分析软件和加载设备提供接口［8-9］，以建立虚拟试验单元与真实的试验加载系统之间的联系。目前，OpenFresco还可以兼容ABAQUS等有限元软件，实现与labview等试验控制系统的连接［10］。在国内，范云蕾等［11］通过网络化结构实验室—Netslab，建立了结构混合仿真试验的初步框架。杨格等［12］自主开发了建筑结构混合试验平台HyTest，其主体计算模块采用Visual C++语言编制，并提供与电液伺服系统MTS的通信接口［13］。

近年来，在结构混合试验的研究中，数值子结构的模拟通常采用自主编制的数值积分算法来实现，为了对更为复杂的模型进行结构混合试验，可以借助专业有限元软件代替自主编制的数值积分算法程序，以此对数值子结构进行更真实的模拟，且能提高结构混合试验的效率。许多大型通用有限元软件，比如ANSYS、Abaqus和LS-DYNA等，由于其更为强大的建模和数值模拟能力，也被应用到混合试验中。目前，试验设备及其控制系统的设计逐渐向标准化和模块化发展，使得研究人员对混合试验系统的搭建和修改变得更加灵活方便，能够通过标准化的接口和协议，实现了子结构间数据传输，降低了结构混合试验的门槛，研究人员可以根据自身实验室设备及研究要求，通过简单的配置和调试，搭建出个性化的混合试验平台。

因此，本研究通过对结构混合试验系统开发的关键问题进行分析，利用瑞士W+B公司生产的LFV-L型动态多功能测试设备，采用Python语言编制了试验控制器及其控制系统与有限元软件Abaqus之间的数据接口程序，搭建了一套基于有限元软件Abaqus的子结构拟动力混合试验系统。通过对含黏弹性阻尼器的平面框架进行混合试验，验证该混合试验系统的可行性及数据传输的准确性。

1 结构混合试验系统的搭建及试验流程

1.1 结构混合试验系统的组成

本研究所搭建的结构混合试验系统主要分为试验加载装置及其控制系统、数据接口程序和计算机数值积分等3部分，结构混合试验系统组成如图1所示。

1.1.1 试验加载装置及其控制系统。试验加载装置为瑞士W+B试验设备公司提供的LFV-L型动态多功能测试设备，其液压伺服控制系统由PCS8000控制器和控制软件DION-7组成。试验在DION-7控制软件的FPI（Free-Programming-Interface）模式下进行，并在其中定义试验数据采集形式、位移与速度等数据的传输形式以及加载循环的次数。

1.1.2 数据接口程序。数据接口程序由Python语言编制，其集成了串口通信与基于TCP/IP网络协议的socket通信，能够实现PCS8000控制器与计算机数值积分部分的数据传输，保证通信的稳定性。串口通信实现了PCS8000控制器与试验机电脑之间的数据传输，在两者之间定义对应的串口以及波特率，通过RS-233串口协议进行传输；Socket通信实现了试验机电脑与Abaqus软件之间的数据传输，其中试验机电脑作为服务器，Abaqus软件作为客户端，客户端通过指定IP地址和端口号实现与服务器的连接。

1.1.3 计算机数值积分。在结构混合试验过程中，地震波被划分成等时间步长的地震荷载。在一个子步中，试验子结构通过试验机加载得到的反馈力，将会作为数值子结构的边界条件，加载在下一个子步的模型中，且该模型需要在上一个子步结果的基础上进行计算。以上试验过程通过Python语言对Abaqus二次开发实现，在Abaqus软件中进行结构模型的建立与更新、重启动分析设置以及结果后处理，即可实现数值子结构模型的动态更新，以此提高结构混合试验的准确性和高效性。

1.2 结构混合试验流程

首先，在Abaqus软件中进行第一个子步的数值子结构模拟，得到结构在地震作用下的响应；其次，在后处理中提取连接黏弹性阻尼器两点间的相对位移、相对速度，并通过数据接口程序，将位移与速度数据发送至试验机控制器PSC8000；最后，待试验子结构执行相应动作并得到反馈力后，将反馈力发送至数值子结构，并作为边界条件施加在新模型上。以上过程均通过Python脚本实现，具体的模拟步骤如下：①在Abaqus软件中通过Python脚本建立模型，同时设置重启动分析，并施加第一个子步长的地震荷载。②提交并运行作业，利用Python脚本提取odb结果文件中连接黏弹性阻尼器节点的相对位移、相对速度。③将节点位移、速度发送至试验子结构部分，试验得到黏弹性阻尼器的反馈力，再将该反馈力发送至Abaqus软件部分。④Abaqus软件接收到反馈力数据，运行代码复制模型，编辑新模型的属性，修改新模型的边界条件（地震波和上一步的反馈力），为模型新增分析步，并设置重启动。⑤继续步骤②，循环直至地震波加载完毕。子结构拟动力混合试验试验流程如图2所示。

2 基于Abaqus-Python的子结构拟动力混合试验

本研究基于Abaqus-Python软件所搭建的结构混合试验系统，以一个含黏弹性阻尼器的多层多跨平面钢框架为例，进行结构混合试验。首先，为探究socket通信机制在Abaqus与Python程序之间的可行性，对结构进行基于虚拟试验机的混合试验。与真实混合试验不同的是，在虚拟混合试验中，试验子结构—黏弹性阻尼器，不通过真实的试验机进行加载，而通过虚拟试验机—Python程序模拟其运动方程，计算模型为Kelvin模型，其余结构为数值子结构，通过Abaqus软件模拟。通过虚拟的混合试验，可提前跑通试验流程，预测试验结果。随后，对同一结构进行真实的混合试验，并将虚拟、真实的混合试验与Abaqus软件整体模拟结果进行对比，验证基于Abaqus的子结构拟动力混合试验系统的可行性及通用性。

2.1 试验模型及相关参数

试验子结构如图3所示，为板式剪切型黏弹性阻尼器，通过对其进行力学性能试验，获取黏弹性阻尼器的等效刚度和等效阻尼，为后续结构混合试验提供理论依据。

通过不同频率、不同幅值的正弦荷载作用对黏弹性阻尼器进行循环加载试验，试验的环境温度为18 ℃，控制加载的幅值分别为1、2、5、7、10 mm，加载频率分别为[f1]=0.2 Hz、[f2]=0.5 Hz、[f3]=1 Hz、[f4]=2 Hz。对以上各工况进行循环加载试验，得到不同工况下黏弹性阻尼器的荷载—位移曲线，并获取其相关力学性能参数见表1。

结构混合试验的整体模型为含黏弹性阻尼器的十二层三跨平面钢框架，黏弹性阻尼器以斜支撑形式安装在每层的中间跨，如图4所示。

该框架层高均为3 000 mm，梁长为4 000 mm，梁为150 mm×150 mm×6 mm×8 mm的工字型截面，柱为200 mm×150 mm×10 mm的箱型截面，梁、柱均赋予钢材属性。通过模态分析得到该框架结构的阻尼系数为α=0.362 35、β=0.000 82。选取El-Centro（10gal）波作用在柱底的X方向，作用时间为30 s。

2.2 试验结果与分析

节点时程响应曲线如图5所示。虚拟、真实的混合试验与Abaqus整体模拟三者的位移、速度、加速度时程曲线趋势基本一致，但曲线波动较大处有明显差值。将虚拟混合试验结果与Abaqus模拟结果进行对比得出两者曲线拟合较好。位移结果数据误差最大为0.096 mm，误差百分比为7.3％；速度结果数据误差最大为0.779 mm/s，误差百分比为6.9％；加速度结果误差最大为2.899 mm/s2，误差百分比为6.2％，误差均在允许范围之内。本研究验证了Socket通信在Python程序与Abaqus软件之间数据传输的准确性。

将真实混合试验结果与Abaqus模拟结果进行对比分析可知，位移正向峰值的最大差值出现在3.3 s时，差值为0.237 mm，负向峰值的最大差值出现在4.7 s时，差值为0.265 mm；速度正向峰值的最大差值出现在4.9 s时，差值为2.56 mm/s，负向峰值的最大差值出现在6.1 s时，差值为1.726 mm/s；加速度正向峰值最大差值出现在2.0 s时，差值为15.77 mm/s2，负向峰值最大差值出现在5.9 s时，差值为17.057 mm/s2。这是由于黏弹性阻尼器的非线性特性，在数值子结构计算过程中，试验子结构的加载存在时滞效应，同时Abaqus软件模拟黏弹性阻尼器的非线性特性能力有限，因此造成了真实的结构混合试验和Abaqus软件整体模拟之间的误差。

3 结论

本研究根据结构混合试验将物理试验和数值模拟相结合的特点，搭建了基于Abaqus-Python的子结构拟动力混合试验系统，并对含黏弹性阻尼器的多层多跨平面钢框架进行研究，主要结论如下。

①对比同一结构虚拟混合试验与Abaqus整体模拟结果，两者时程曲线吻合较好，验证了socket通信在Python程序与Abaqus软件之间数据传输的可行性与准确性。

②将真实混合试验结果与Abaqus整体模拟结果对比可知，两者时程曲线趋势一致，误差均在合理范围内，验证了所搭建的混合试验系统数据传输的准确性以及试验的可行性。

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