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中文譯文 標(biāo)題: 數(shù)控簡單剪切儀動(dòng)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(xué)洛杉磯分校 Venugopal,拉維,Sysendes公司。 出版日期: 01-01-2007 系列: 加州大學(xué)洛杉磯先前發(fā)表的作品 發(fā)布信息: 加州大學(xué)洛杉磯先前發(fā)表的作品,加州大學(xué)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)。“數(shù)控簡單剪切設(shè)備動(dòng)態(tài)土壤測試”,Geotech。測試日報(bào),ASTM,30(5),368 - 377。 數(shù)控剪切裝置簡單動(dòng)態(tài)土壤測試 文摘:我們描述的特征簡單剪切裝置能力運(yùn)用現(xiàn)實(shí)的多向地震荷載對土 標(biāo)本。這個(gè)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(dòng)和真正的數(shù)字控制克服控制的局限性,一些之前的動(dòng)態(tài)土壤測試機(jī)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(gè)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(zhǔn)確地傳授與最小交叉耦合,結(jié)果從一個(gè)創(chuàng)新的多輸入多輸出的數(shù)字控制系統(tǒng)。這個(gè)功能的設(shè)備演示一系列寬帶測試標(biāo)本非飽和土受到uni -和雙向勵(lì)磁。 關(guān)鍵詞:數(shù)字控制,簡單的剪切、動(dòng)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(yùn)用多年來描述靜態(tài)和動(dòng)態(tài)土屬性。這測試方法往往是首選當(dāng)它是可取的標(biāo)本來體驗(yàn)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(dāng)鋼絲增強(qiáng)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(yàn)對仿真的垂直(或近垂直)剪切波傳播通過土柱。優(yōu)點(diǎn)和局限性簡單的剪切測試相對于其他類型的實(shí)驗(yàn)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(dá)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(yùn)行在一個(gè)水平方向并應(yīng)用諧波載荷頻率一般慢于動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步的錯(cuò)誤未知的意義當(dāng)實(shí)驗(yàn)室測量土壤屬性用于工程模擬。 一個(gè)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(xué)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?yàn)樗黠@減少了機(jī)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(gè)顯著的特點(diǎn)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(dòng)加載系統(tǒng)使用一個(gè)可壓縮流體(即。、空氣) 其中介紹了重大錯(cuò)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(dāng)然,振動(dòng)臺(tái)和離心機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)很寬的頻率范圍內(nèi),土壤元素在實(shí)驗(yàn)室是至關(guān)重要的推進(jìn)我們的根本理解動(dòng)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(xué)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(dá)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(diǎn)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(bào),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(dòng)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(jìn)一步調(diào)查一些土壤類型。為了滿足這些研究需要,一個(gè)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(lì)一直發(fā)達(dá)。這個(gè)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(dòng)和真正的數(shù)字控制克服的局限性先前的動(dòng)態(tài)土壤測試機(jī)器。結(jié)果是一個(gè)真正獨(dú)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(biāo)本在兩個(gè)方向,用最小的交叉耦合水平運(yùn)動(dòng)。在本文中,我們描述這個(gè)裝置和它的功能動(dòng)態(tài)土壤測試。 物理描述直流ss裝置 機(jī)械設(shè)計(jì)的直流ss裝置使用了UCB-2D的裝置作為一個(gè)原型(面包師et al . 1993)。這個(gè)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(xì)胞壓力的目的背壓飽和,有限的機(jī)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(jìn)設(shè)計(jì)相對于UCB-2D裝置包括:我使用一個(gè)三郵報(bào)框架與高績效跟蹤軸承(容納垂直位移的頂罩),以進(jìn)一步降低搖擺;二世一個(gè)伺服液壓控制的控制系統(tǒng),使高頻率加載;iii雙重軸負(fù)載細(xì)胞獲得職位摩擦剪切載荷的測量。 圖1顯示了大會(huì)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(biāo)本與直徑10.2厘米或更少。這個(gè)標(biāo)本是位于相對嚴(yán)格的底部和頂部帽(圖1、圖2(b))和通常局限由一線增強(qiáng)膜。見圖2(c),水平(頂部和底部)面臨的標(biāo)本被限制的帽子,它含有細(xì)磨石epoxied變成一個(gè)休會(huì)覆蓋整個(gè)臉的帽子除了保持嘴唇的鋁在邊緣。這些帽子提供一個(gè)“摩擦”表面同時(shí)使排水進(jìn)入多孔石頭如果石頭不飽和(石頭可以飽和對不排水試驗(yàn))。這個(gè)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(gè)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(gè)固定螺絲在每個(gè)板。一旦樣品是獲得兩個(gè)適配器板之間,三個(gè)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(gè)標(biāo)本是然后合并垂直應(yīng)力和準(zhǔn)備剪切載荷。 圖2 頂部適配器板是一種垂直表,進(jìn)而是附加到一個(gè)垂直負(fù)載細(xì)胞(圖1)。垂直負(fù)載轉(zhuǎn)移到標(biāo)本通過垂直表,這是附加的三個(gè)等距線性幻燈片。每個(gè)三個(gè)線性幻燈片附屬于一個(gè)單獨(dú)的帖子,有效防止側(cè)運(yùn)動(dòng)和搖擺的垂直表(因此,實(shí)際上無花果。1原理的直流ss裝置在加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校。果皮ET AL。在數(shù)控簡單剪切儀369來說,標(biāo)本)。這是一個(gè)重要的三郵報(bào)框架改善UCB-2D設(shè)備,雇傭了一個(gè)懸臂系統(tǒng)(垂直表附加到一對跟蹤軸承沿相同的墻)。負(fù)載應(yīng)用于垂直表由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在主框架之外。 一個(gè)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(biāo)本通過兩個(gè)獨(dú)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(dòng) 一個(gè)水平方向。上層水平表也安裝在線性幻燈片,這樣運(yùn)動(dòng)上層表是完全垂直于下表。兩個(gè)水平表可以控制產(chǎn)生凈合成的運(yùn)動(dòng)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(dòng)器,可以應(yīng)用張力和壓縮。有一個(gè)tensioncapable輥之間連接上層表及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)以適應(yīng)垂直位移下表。負(fù)載應(yīng)用到表loadcells來衡量安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)和表之間。負(fù)荷測量由loadcells不相同,那些傳授標(biāo)本由于摩擦而在線性的幻燈片。這個(gè)巨大的摩擦加載系統(tǒng)中的表征,觀察到相當(dāng)小(大約2.2 N)。這一點(diǎn)的重要性摩擦負(fù)載取決于什么類型的測試,是理想的。這種摩擦負(fù)載將產(chǎn)生不準(zhǔn)確的(大約0.3 kPa10.2厘米直徑試樣),代表比例可以忽略不計(jì)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(gè)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(gè)空間,否則占用墊塊。這種雙軸loadcell能夠測量兩個(gè)垂直和剪切載荷同時(shí)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(dòng)傳感器),安裝頂部和底部之間的適配器板,用于測量垂直標(biāo)本變形。這些位置的LVDTs最小化錯(cuò)誤由于機(jī)械合規(guī)。這三個(gè)LVDTs是用,這樣相對搖擺的標(biāo)本在兩個(gè)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(gè)測試。水平變形是衡量兩個(gè)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(yùn)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(jī)構(gòu)力量必須實(shí)現(xiàn)這些位移測量。這個(gè)運(yùn)動(dòng),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(dòng)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(dòng)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(gè)是執(zhí)行機(jī)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(yùn)動(dòng)(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(yùn)動(dòng),是在的限制線在圖3。 油柱的理論頻率的致動(dòng)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(dòng)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(gè)剛度定義的油柱在致動(dòng)器室。對于命令信號頻率油柱頻率附近,表現(xiàn)為執(zhí)行機(jī)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(gè)目的。第一個(gè)是提供控制信號直接驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)器servovalves為每個(gè)軸(直接驅(qū)動(dòng)servovalves有機(jī)載控制器,糾正跟蹤誤差在控制信號在開車前液壓致動(dòng)器)。第二個(gè)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(gè)基于pc的數(shù)字監(jiān)督模擬控制系統(tǒng)。這個(gè)控制系統(tǒng)使用PID(比例-積分導(dǎo)數(shù))控制算法,跑在一個(gè)Windows?操作系統(tǒng)。主要問題控制系統(tǒng)延時(shí)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(zhǔn)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(dòng)。 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?fù)鬳t al。2005),盡管這些應(yīng)用程序涉及單向震動(dòng)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?？刂葡到y(tǒng)目前設(shè)備使用一個(gè)系統(tǒng)所為硬實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)在控制器板相對于個(gè)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(jì)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(shí)鐘速度,控制算法復(fù)雜,數(shù)量的后臺(tái)進(jìn)行由個(gè)人電腦操作系統(tǒng)等。數(shù)字控制系統(tǒng)利用兩個(gè)dSPACE DS1104控制器板。每個(gè)板包含一個(gè)PowerPC 603 e處理器,四個(gè)16位2 s模擬數(shù)字(A / D)轉(zhuǎn)換器,四個(gè)12位A / D轉(zhuǎn)換器800 ns和8個(gè)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(gè)板安裝在在一個(gè)PCI插槽主機(jī)電腦但運(yùn)行他們自己的實(shí)時(shí)內(nèi)核(即。,一個(gè)操作系統(tǒng)專門針對控制功能)獨(dú)立于主機(jī)電腦的操作系統(tǒng)。 一個(gè)PID控制算法實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)基于pc和硬實(shí)時(shí)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(cuò)用階梯函數(shù)命令信號。PID控制器的輸出是一個(gè)數(shù)字電壓命令,發(fā)送到一個(gè)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(gè)電壓驅(qū)動(dòng)信號到適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)伺服閥。見圖5(一個(gè))、PID控制的兩個(gè)軸都是獨(dú)立的,從而控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體無法補(bǔ)償對于交叉耦合效應(yīng)(即：影響,運(yùn)動(dòng)沿一個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)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(gè)多輸入多multipleoutput增強(qiáng)(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(dòng)變換器反饋兩軸和生成一個(gè)補(bǔ)償指令信號對于每個(gè)PID控制器,考慮到交叉耦合效果。控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為一個(gè)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(jì)的數(shù)量,反映四個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(gè)不相關(guān)的隨機(jī)輸入(生成的PID控制器)和相應(yīng)的線性差動(dòng)變換器輸出信號。 結(jié)合MIMO的控制算法,以及兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)間步:不實(shí)用的下限; ?數(shù)量的輸入運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn):不實(shí)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(jià)系統(tǒng)的直流黨衛(wèi)軍(即。,控制器,泵、致動(dòng)器、伺服閥),兩個(gè)諧波和寬帶地震輸入運(yùn)動(dòng)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(jìn)行評估性能每個(gè)軸的獨(dú)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(jìn)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(xué)基金會(huì)的資助下,第二個(gè)作者(NSF獲獎(jiǎng)號:9733113),亨利Samueli學(xué)校的工程和應(yīng)用科學(xué)大學(xué)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(jì)劃,獎(jiǎng)號。1434 - hg - 98 gr - 00037、05 hqgr0050。這種支持是感激地承認(rèn)。這個(gè)觀點(diǎn)和結(jié)論包含在這個(gè)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(dāng)大的貢獻(xiàn)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。