基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法技术

本发明专利技术公开了一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，该方法包括以下步骤：将待分析结构划分为数值子结构和试验子结构；采用向量式有限元利用并行计算技术在FPGA上建立数值模型；采用前馈加反馈的控制理论在FPGA上编写外置补偿控制器；在FPGA上设计I/O实现数值计算量与试验模拟量之间的转换和传递；利用LabVIEW实时模块实现FPGA硬件程序的定时运行；通过FIFO实现FPGA硬件与主控计算机的数据传递；搭建试验子结构的位移加载装置并建立起同FPGA硬件I/O模块的连接；在主控计算机中建立主控计算机同FPGA硬件终端的数据通讯接口，实现试验数据的可视化。本发明专利技术能够有效解决混合试验中数值子结构计算所带来的计算压力过大的问题，特别适合于数值子结构具有大量计算自由度并要求实时运行的混合试验。

A hybrid test method based on vectored finite element and FPGA

The invention discloses a hybrid testing method of VFIFE and based on FPGA, the method comprises the following steps: to analysis structure is divided into the numerical substructure and the experimental substructure; the numerical model based on FPGA VFIFE make use of parallel computing technology; write external compensation controller using FPGA on feedforward with the feedback control theory; conversion between I/O in FPGA to achieve numerical computation and experiment of analog quantity and transfer; using LabVIEW module to achieve real-time timing hardware running FPGA program; pass through the FIFO implementation of FPGA hardware and the host computer data; build the displacement loading device for testing the sub structure and establish a connection with FPGA the hardware I/O module; data communication interface of the main control computer with FPGA terminal hardware in the main control computer, realizes the visualization of test data. The invention can effectively solve the problem of too much computation pressure caused by the numerical substructure calculation in the mixed test, and is especially suitable for the mixed test of the numerical substructure with large amount of computation freedom and real-time operation.

【技术实现步骤摘要】
基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法
本专利技术涉及土木工程试验
，具体涉及一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法。
技术介绍
混合试验是近年来新兴而起的一种用于测试大型土木结构在极端环境荷载，如地震、台风、洪水等作用下产生的动力响应的试验方法。混合试验将土木结构构件按力学性能复杂程度分为常处于线弹性受力状态下易于模拟的数值子结构和涉及非线性和弹塑性力学行为难以计算的试验子结构，采用数值仿真和试验加载相结合的方式分别获取数值和试验子结构的动力响应，并通过在子结构边界处的数据传递实现对结构整体的动态性能分析。混合试验被认为是一种兼具数值分析的便利性和试验测试的可靠性的分析结构动力响应的有效方法。近年来越来越多的新型构件和装置被用于土木工程的振动控制领域，而这些新型构件和装置的力学性能通常同加载速率紧密相关，这要求混合试验在应用于装配有此类构件和装置的结构时，必须以实时方式即对试验结构进行实时位移加载的方式进行。混合试验通常由三个部分组成，分别是数值子结构求解、位移控制加载、和数据采集。为了达到实时效应，这3个部分必须在一个仿真步长内完成，而这其中数值子结构的求解计算时间往往最多，是影响混合试验能否实时进行的关键因素。为加快数值子结构的求解速度，数值子结构通常会被高度简化为仅具有若干自由度的数值模型，这其中最典型的代表便是由高层房屋结构简化而成的“葫芦串”模型。然而这样的简化大大限制了混合试验实时进行的应用范围。对于那些质量均匀分布的结构体系，如拉索，大坝，大跨桥梁等等，数值子结构的力学行为必须采用足够数目的自由度才能实现精确模拟，这使得实时子结构试验常常会因为数值子结构部分的计算压力过大而无法实现实时效应。综上所述，如何有效地解决对数值子结构具有大量自由度的质量分布体系结构进行混合试验时，由于数值子结构计算压力过大，无法达到实时效果的技术问题，是目前本领域技术人员公知而亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够有效缓解数值子结构的计算压力，适用于对数值子结构具有大量自由度的质量分布体系结构开展混合试验并达到实时运行的基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，其特征在于，主控计算机与FPGA硬件连接，实现数据传递，其实施步骤包括：S1.1、对试验结构按照结构构件的复杂程度划分为数值子结构和试验子结构；S1.2、对数值子结构通过LabVIEW开发环境在FPGA上建立能够实现并行计算的向量式有限元数值模型，其步骤包括：S1.2.1、在主控计算机中对数值子结构进行向量式有限元数值模型的前处理工作，将数值子结构离散成一系列独立的质点，质点与质点之间根据结构对象选择单元进行连接，并将处理好的向量式有限元数值模型的数据在主控计算机中通过LabVIEW存储于数组当中；S1.2.2、对数值子结构的向量式有限元数值模型进行质点分割和单元分割，形成若干质点群和单元群，质点群和单元群的数目同线程数目相等；S1.2.3、在FPGA上设置用于存储向量式有限元数值模型计算过程中计算变量的存储器；S1.2.4、在FPGA上建立顺序结构，分别依次编写向量式有限元数值模型求解过程中的质点位移预测、单元内力求解、质点内力组装、和质点信息更迭这四个部分，包括以下步骤；S1.2.4.1、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，采用中心差分法作为质点位移预测的数值积分算法，预测每一个质点的质点位移；S1.2.4.2、根据向量式有限元模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由预测得到的质点位移进行刚体位移的剔除求得质点的纯变形位移，对单元内力进行求解；S1.2.4.3、根据向量式有限元数值模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由单元内力求解过程中得到的单元内力在相连质点上进行反方向组装，实现质点内力组装；S1.2.4.4、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，将当前仿真时间步长的质点信息覆盖前一仿真时间步长的质点信息，将下一仿真时间步长的质点信息覆盖当前仿真时间步长的质点信息，实现每一个质点的质点位移更迭；S1.3、根据前馈和反馈相结合的控制理论，在FPGA上进行外置补偿控制器的硬件设计，其详细步骤如下：S1.3.1、将试验子结构预先在位移加载装置上进行小幅度位移加载，获取试验子结构在不同频率的位移输入信号下的位移响应，采用扫频法对由位移加载装置和试验子结构构成的系统进行系统识别；S1.3.2、根据识别出的离散系统采用前馈加反馈的模式先在主控计算机中进行外置补偿控制器的控制算法设计，针对前馈控制获取用于补偿时滞的离散传递函数，针对反馈控制获取用于校准误差的反馈增益，并在主控计算中采用仿真的方法验证控制算法的可靠性；S1.3.3、对验证后的控制算法在FPGA上进行硬件编程，其中前馈控制通过将离散传递函数转换为相应的差分方程，设计成FIR滤波器，采用移位寄存器和反馈节点予以实现，反馈控制通过设置反馈增益予以实现；S1.4、在FPGA上设计I/O模块，实现数值子结构位移计算值的D/A转换和模拟量输出，以及试验子结构测量值的A/D转换和数值子结构模型更新；S1.5、对在FPGA上编写好的数值子结构计算程序、试验控制程序以及I/O模块进行组装搭接，利用LabVIEW实时模块，设置程序的多线程同步运行机制，强制FPGA上的所有程序每隔向量式有限元数值模型求解程序仿真步长的时间间隔运行一次，实现程序以仿真时间步长为单位的定时执行；S1.6、对需要查看的数值子结构节点动力响应，将其写入终端至主机的FIFO存储器当中；S1.7、将位移加载装置的输入直接同FPGA的输出端口相连接，将位移加载装置内置的位移传感器和力传感器信号输出端同FPGA的输入端口相连接，搭建试验子结构的位移加载平台；S1.8、利用LabVIEW中的编译器对编写好的FPGA程序进行编译，形成比特文件，并在主控计算机操作系统中，利用LabVIEW开发环境中的FPGA接口函数对比特文件进行调用，实现主控计算机与FPGA硬件的数据传递和FPGA硬件计算结果的可视化。本专利技术的第二个目的是提供一种能够有效缓解数值子结构的计算压力，适用于对数值子结构的质量分布体系结构展开实验达到实时运行的基于向量式有限元和FPGA的试验方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，其特征在于，主控计算机与FPGA硬件连接，实现数据传递，其实施步骤包括：S2.1、对试验结构按照结构构件的复杂程度划分为数值子结构和试验子结构；S2.2、对数值子结构通过LabVIEW开发环境以向量式有限元为理论基础直接在FPGA上建立能够实现并行计算的向量式有限元数值模型，其详细步骤如下：S2.2.1、在主控计算机中对数值子结构进行向量式有限元数值模型的前处理工作，将数值子结构离散成一系列独立的质点，质点与质点之间根据结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，其特征在于，主控计算机与FPGA硬件连接，实现数据传递，其实施步骤包括：S1.1、对试验结构按照结构构件的复杂程度划分为数值子结构和试验子结构；S1.2、对数值子结构通过LabVIEW开发环境在FPGA上建立能够实现并行计算的向量式有限元数值模型，其步骤包括：S1.2.1、在主控计算机中对数值子结构进行向量式有限元数值模型的前处理工作，将数值子结构离散成一系列独立的质点，质点与质点之间根据结构对象选择单元进行连接，并将处理好的向量式有限元数值模型的数据在主控计算机中通过LabVIEW存储于数组当中；S1.2.2、对数值子结构的向量式有限元数值模型进行质点分割和单元分割，形成若干质点群和单元群，质点群和单元群的数目同线程数目相等；S1.2.3、在FPGA上设置用于存储向量式有限元数值模型计算过程中计算变量的存储器；S1.2.4、在FPGA上建立顺序结构，分别依次编写向量式有限元数值模型求解过程中的质点位移预测、单元内力求解、质点内力组装、和质点信息更迭这四个部分，包括以下步骤；S1.2.4.1、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，采用中心差分法作为质点位移预测的数值积分算法，预测每一个质点的质点位移；S1.2.4.2、根据向量式有限元模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由预测得到的质点位移进行刚体位移的剔除求得质点的纯变形位移，对单元内力进行求解；S1.2.4.3、根据向量式有限元数值模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由单元内力求解过程中得到的单元内力在相连质点上进行反方向组装，实现质点内力组装；S1.2.4.4、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，将当前仿真时间步长的质点信息覆盖前一仿真时间步长的质点信息，将下一仿真时间步长的质点信息覆盖当前仿真时间步长的质点信息，实现每一个质点的质点位移更迭；S1.3、根据前馈和反馈相结合的控制理论，在FPGA上进行外置补偿控制器的硬件设计，其详细步骤如下：S1.3.1、将试验子结构预先在位移加载装置上进行小幅度位移加载，获取试验子结构在不同频率的位移输入信号下的位移响应，采用扫频法对由位移加载装置和试验子结构构成的系统进行系统识别；S1.3.2、根据识别出的离散系统采用前馈加反馈的模式先在主控计算机中进行外置补偿控制器的控制算法设计，针对前馈控制获取用于补偿时滞的离散传递函数，针对反馈控制获取用于校准误差的反馈增益，并在主控计算机中采用仿真的方法验证控制算法的可靠性；S1.3.3、对验证后的控制算法在FPGA上进行硬件编程，其中前馈控制通过将离散传递函数转换为相应的差分方程，设计成FIR滤波器，采用移位寄存器和反馈节点予以实现，反馈控制通过设置反馈增益予以实现；S1.4、在FPGA上设计I/O模块，实现数值子结构位移计算值的D/A转换和模拟量输出，以及试验子结构测量值的A/D转换和数值子结构模型更新；S1.5、对在FPGA上编写好的数值子结构计算程序、试验控制程序以及I/O模块进行组装搭接，利用LabVIEW实时模块，设置程序的多线程同步运行机制，强制FPGA上的所有程序每隔向量式有限元数值模型求解程序仿真步长的时间间隔运行一次，实现程序以仿真时间步长为单位的定时执行；S1.6、对需要查看的数值子结构节点动力响应，将其写入终端至主机的FIFO存储器当中；S1.7、将位移加载装置的输入直接同FPGA的输出端口相连接，将位移加载装置内置的位移传感器和力传感器信号输出端同FPGA的输入端口相连接，搭建试验子结构的位移加载平台；S1.8、利用LabVIEW中的编译器对编写好的FPGA程序进行编译，形成比特文件，并在主控计算机操作系统中，利用LabVIEW开发环境中的FPGA接口函数对比特文件进行调用，实现主控计算机与FPGA硬件的数据传递和FPGA硬件计算结果的可视化。...

【技术特征摘要】
1.一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，其特征在于，主控计算机与FPGA硬件连接，实现数据传递，其实施步骤包括：S1.1、对试验结构按照结构构件的复杂程度划分为数值子结构和试验子结构；S1.2、对数值子结构通过LabVIEW开发环境在FPGA上建立能够实现并行计算的向量式有限元数值模型，其步骤包括：S1.2.1、在主控计算机中对数值子结构进行向量式有限元数值模型的前处理工作，将数值子结构离散成一系列独立的质点，质点与质点之间根据结构对象选择单元进行连接，并将处理好的向量式有限元数值模型的数据在主控计算机中通过LabVIEW存储于数组当中；S1.2.2、对数值子结构的向量式有限元数值模型进行质点分割和单元分割，形成若干质点群和单元群，质点群和单元群的数目同线程数目相等；S1.2.3、在FPGA上设置用于存储向量式有限元数值模型计算过程中计算变量的存储器；S1.2.4、在FPGA上建立顺序结构，分别依次编写向量式有限元数值模型求解过程中的质点位移预测、单元内力求解、质点内力组装、和质点信息更迭这四个部分，包括以下步骤；S1.2.4.1、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，采用中心差分法作为质点位移预测的数值积分算法，预测每一个质点的质点位移；S1.2.4.2、根据向量式有限元模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由预测得到的质点位移进行刚体位移的剔除求得质点的纯变形位移，对单元内力进行求解；S1.2.4.3、根据向量式有限元数值模型中单元群的划分数目，以While或For循环结构为基础，单元群所包含的单元数目为循环次数，对由单元内力求解过程中得到的单元内力在相连质点上进行反方向组装，实现质点内力组装；S1.2.4.4、根据向量式有限元数值模型中质点群的划分数目，以While或For循环结构为基础，质点群所包含的质点数目为循环次数，将当前仿真时间步长的质点信息覆盖前一仿真时间步长的质点信息，将下一仿真时间步长的质点信息覆盖当前仿真时间步长的质点信息，实现每一个质点的质点位移更迭；S1.3、根据前馈和反馈相结合的控制理论，在FPGA上进行外置补偿控制器的硬件设计，其详细步骤如下：S1.3.1、将试验子结构预先在位移加载装置上进行小幅度位移加载，获取试验子结构在不同频率的位移输入信号下的位移响应，采用扫频法对由位移加载装置和试验子结构构成的系统进行系统识别；S1.3.2、根据识别出的离散系统采用前馈加反馈的模式先在主控计算机中进行外置补偿控制器的控制算法设计，针对前馈控制获取用于补偿时滞的离散传递函数，针对反馈控制获取用于校准误差的反馈增益，并在主控计算机中采用仿真的方法验证控制算法的可靠性；S1.3.3、对验证后的控制算法在FPGA上进行硬件编程，其中前馈控制通过将离散传递函数转换为相应的差分方程，设计成FIR滤波器，采用移位寄存器和反馈节点予以实现，反馈控制通过设置反馈增益予以实现；S1.4、在FPGA上设计I/O模块，实现数值子结构位移计算值的D/A转换和模拟量输出，以及试验子结构测量值的A/D转换和数值子结构模型更新；S1.5、对在FPGA上编写好的数值子结构计算程序、试验控制程序以及I/O模块进行组装搭接，利用LabVIEW实时模块，设置程序的多线程同步运行机制，强制FPGA上的所有程序每隔向量式有限元数值模型求解程序仿真步长的时间间隔运行一次，实现程序以仿真时间步长为单位的定时执行；S1.6、对需要查看的数值子结构节点动力响应，将其写入终端至主机的FIFO存储器当中；S1.7、将位移加载装置的输入直接同FPGA的输出端口相连接，将位移加载装置内置的位移传感器和力传感器信号输出端同FPGA的输入端口相连接，搭建试验子结构的位移加载平台；S1.8、利用LabVIEW中的编译器对编写好的FPGA程序进行编译，形成比特文件，并在主控计算机操作系统中，利用LabVIEW开发环境中的FPGA接口函数对比特文件进行调用，实现主控计算机与FPGA硬件的数据传递和FPGA硬件计算结果的可视化。2.一种基于向量式有限元和FPGA的混合试验方法，其特征在于，主控计算机与FPGA硬件连接，实现数据传递，其实施步骤包括：S2.1、对试验结构按照结构构件的复杂程度划分为数值子结构和试验子结构；S2.2、对数值子结构通过LabVIEW开发环境以向量式有限元为理论基础直接在FPGA上建立能够实现并行计算的向量式有限元数值模型，其详细步骤如下：S2.2.1、在主控计算机中对数值子结构进行向量式有限元数值模型的前处理工作，将数值子结构离散成一系列独立的质点，质点与质点之间根据结构对象选择单元进行连接，并将处理好的向量式有限元数值模型的数据在主控计算机中通过LabVIEW存储于数组当中，形成向量式有限元数值模型；S2.2.2、对数值子结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：段元锋，陶俊杰，章红梅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33