基于壓電摩擦阻尼器的空間桿系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)半主動(dòng)控制.pdf

1、本文針對地震作用下空間桿系結(jié)構(gòu)的主要受力和變形特點(diǎn),利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),研發(fā)了2種壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器,并基于此,提出了相應(yīng)的空間桿系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制理論和工程應(yīng)用方法,進(jìn)行了相應(yīng)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和分析。具體工作和研究內(nèi)容如下:
　　(1)根據(jù)國內(nèi)壓電堆材料特殊的物理力學(xué)性能,設(shè)計(jì)并研發(fā)了2種壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器。其工作原理是根據(jù)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制需要,實(shí)時(shí)改變壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓,即實(shí)時(shí)改變摩擦阻尼器摩擦面的正壓力,從而改變

2、摩擦阻尼器的摩擦力,以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的半主動(dòng)控制。通過合理構(gòu)造措施,確保了壓電堆在工作中的驅(qū)動(dòng)性能,充分發(fā)揮阻尼器的半主動(dòng)控制作用。利用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了上述壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器在多種工況下的電壓-力學(xué)性能試驗(yàn),研究了阻尼器內(nèi)壓電堆的輸入電壓與驅(qū)動(dòng)力和摩擦力之間的關(guān)系,同時(shí)考慮初始預(yù)壓力和阻尼器殼體剛度等因素對其工作性能的影響,建立了壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器的力學(xué)模型。
　　(2)運(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)控制理論的基本方法,結(jié)合空間桿系

3、結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)方程,建立并分析了地震激勵(lì)下空間桿系結(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型,同時(shí)基于有限單元法的基本理論和原理,分析了空間桿系結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣與剛度矩陣的建立方法,提出了壓電摩擦阻尼器控制力位置矩陣以及相對狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的集成方法并進(jìn)行了分析,得出了相應(yīng)的集成公式。根據(jù)上述理論分析和推導(dǎo)結(jié)果,運(yùn)用 MATLAB模糊邏輯工具箱以及SIMULINK可視化建模功能等,建立了基于壓電摩擦阻尼器的空間桿系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)半主動(dòng)控制仿真系統(tǒng),為深入開展理

4、論和試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。
　　(3)以模態(tài)分析的可控度作為優(yōu)化配置準(zhǔn)則的性能指標(biāo),提出了相應(yīng)的優(yōu)化配置準(zhǔn)則并編制了所需要的適應(yīng)度函數(shù),同時(shí)運(yùn)用 MATLAB遺傳算法工具箱進(jìn)行分析程序設(shè)計(jì)及編制,運(yùn)用自編程序進(jìn)行了一實(shí)際空間桿系結(jié)構(gòu)原型和模型結(jié)構(gòu)阻尼器優(yōu)化配置的理論分析和研究。結(jié)果表明,阻尼器數(shù)量較少時(shí),阻尼器數(shù)量的增加對其控制效果的提高影響較大,但當(dāng)阻尼器數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí),阻尼器數(shù)量的增加對其控制效果的影響越來越小,直至不甚明顯

5、。另外,還對原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50個(gè)壓電摩擦阻尼器優(yōu)化配置與隨機(jī)配置的模糊半主動(dòng)地震響應(yīng)控制分析。結(jié)果表明,阻尼器優(yōu)化配置后的控制效果明顯優(yōu)于相應(yīng)隨機(jī)配置的情況,一般情況下其控制效果可提高20％,說明了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化控制研究的必要性。
　　(4)基于前述的模糊半主動(dòng)控制算法,運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織自學(xué)習(xí)能力,并將兩者有效結(jié)合,提出了一種空間桿系結(jié)構(gòu)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制方法,實(shí)現(xiàn)了對空間桿系結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制。同時(shí)采用上述半主

6、動(dòng)控制方法,進(jìn)行了一個(gè)空間桁架和一個(gè)空間網(wǎng)殼模型結(jié)構(gòu)在 El-Centro地震波輸入下的計(jì)算機(jī)模擬分析。分析結(jié)果表明,文中提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對模型結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)地震位移響應(yīng)及速度響應(yīng)等都有明顯的抑制作用,其控制效果一般情況下可達(dá)25%。此外,將基于桁架結(jié)構(gòu) LQR主動(dòng)控制的數(shù)據(jù)樣本提取的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制規(guī)則運(yùn)用到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的所有控制器并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬分析,結(jié)果表明此規(guī)則對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也能起到明顯的抑制作用,兩者的整體控制效

7、果相差不大,說明基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提出的控制規(guī)則具有一定的普遍性。
　　(5)根據(jù)電力系統(tǒng)常用輸電塔結(jié)構(gòu)的主要變形和受力特點(diǎn),將其桿件簡化后制作了一個(gè)輸電塔式的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?并在4.1mX4.1m的三維六自由度振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí),先采用白噪聲掃頻,測試模型結(jié)構(gòu)的主要頻率和振型等動(dòng)力特性,然后采用2種分別在支撐和拉索上隨機(jī)布置阻尼器進(jìn)行控制以及2種相應(yīng)優(yōu)化布置阻尼器的半主動(dòng)控制方案,輸入不同幅值的

8、EL-Centro地震波,進(jìn)行了多種工況下無控與受控模型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)對比試驗(yàn),分析了模型結(jié)構(gòu)在各種工況下的半主動(dòng)控制效果。結(jié)果表明,除了拉索隨機(jī)布置阻尼器控制方案的控制效果不甚明顯外,其它工況下模型結(jié)構(gòu)的整體加速度和峰值加速度等都能夠得到有效的控制,其最大控制效果可達(dá)42%,說明文中研發(fā)的壓電摩擦阻尼器對空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)的半主動(dòng)控制是有效的。另外,對于支撐布置控制方案,輸入各種幅值的地震波,其優(yōu)化布置方案的控制效果與隨機(jī)