環(huán)境荷載激勵(lì)下工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)在使用過程中要承受各種環(huán)境荷載的作用。結(jié)構(gòu)在這些環(huán)境荷載的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)大量破壞與倒塌。這是造成災(zāi)害的直接原因。通常的結(jié)構(gòu)體系是通過結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度來“抗御”環(huán)境荷載作用的，即通過結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中由于形狀變化而儲(chǔ)存或消耗能量的能力來抵御外載。但迄今由于人們尚不能準(zhǔn)確地估計(jì)結(jié)構(gòu)未來可能遭遇的環(huán)境荷載的強(qiáng)度和特性，在這種不確定性的環(huán)境荷載作用下，結(jié)構(gòu)很可能不滿足安全性的要求而產(chǎn)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人

2、員傷亡。結(jié)構(gòu)控制是解決這一問題的有效途經(jīng)。其思想是在結(jié)構(gòu)上設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)構(gòu)，而由控制機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)共同控制和抵御地震、狂風(fēng)、海冰等環(huán)境荷載，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小，從而避免嚴(yán)重?fù)p害或倒塌發(fā)生。近二十多年來，對(duì)結(jié)構(gòu)控制的研究取得了許多進(jìn)展，但是已有的理論和方法在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)還存在許多障礙。虛擬激勵(lì)法和精細(xì)時(shí)程積分法以其突出的特點(diǎn)已經(jīng)在工程中獲得了很多應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，它們也為控制理論更廣泛地進(jìn)入到工程領(lǐng)域提供了一條新的、有效的途徑。本博士學(xué)

3、位論文就是嘗試將這兩種方法引入到控制理論中，先后研究了LQG控制、精細(xì)瞬時(shí)最優(yōu)控制、時(shí)滯控制等新算法，一步一步拉近控制理論與實(shí)際應(yīng)用的距離。在“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“新型平臺(tái)抗冰振技術(shù)”(編號(hào)2001AA602015)項(xiàng)目的支持下，本文對(duì)海洋平臺(tái)的冰振控制作了深入的探索，建立了實(shí)驗(yàn)室模型控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了隔振技術(shù)在海洋平臺(tái)的應(yīng)用，其研究成果已經(jīng)應(yīng)用在JZ202-NW平臺(tái)上，取得了良好的實(shí)際效果。本文主要的創(chuàng)新性研究工作可歸納

4、如下： 1．地震實(shí)際上為一非平穩(wěn)隨機(jī)過程。本文將虛擬激勵(lì)法引入到LOG控制中，推導(dǎo)出非平穩(wěn)隨機(jī)地震激勵(lì)下的LQG控制問題閉合解，不但精確，而且高效。用此方法對(duì)毗鄰建筑考慮局部場(chǎng)地效應(yīng)時(shí)的LQG控制問題作了研究，利用閉合解對(duì)主要參數(shù)所作的研究表明，對(duì)于給定的加權(quán)陣Q和R，場(chǎng)地土的卓越頻率和阻尼比變化對(duì)減震效果有顯著影響。本文方法也可推廣應(yīng)用于其它類型的演變隨機(jī)響應(yīng)問題。 2．用精細(xì)積分手段對(duì)最優(yōu)控制方法的實(shí)用化作了多角度的

5、更新。 (1)用精細(xì)積分代替以往采用的近似積分公式，提出了多種精細(xì)瞬時(shí)最優(yōu)控制算法，包括精細(xì)瞬時(shí)閉環(huán)最優(yōu)控制，精細(xì)瞬時(shí)開環(huán)最優(yōu)控制和精細(xì)瞬時(shí)開閉環(huán)最優(yōu)控制。這些算法不但具有精細(xì)積分高精度的特點(diǎn)，而且對(duì)于時(shí)間步長(zhǎng)較大的情況仍可給出比擬于精確解的數(shù)值結(jié)果。大量算例表明了這些方法的有效性。 (2)結(jié)構(gòu)控制反饋環(huán)節(jié)中的時(shí)滯因素難于有效地處理，長(zhǎng)期制約著結(jié)構(gòu)動(dòng)力控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的控制器不能對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。

6、本文將精細(xì)積分法及平衡降階法引入到時(shí)滯控制中，利用精細(xì)積分法精確求解離散化參數(shù)，設(shè)計(jì)滿足振動(dòng)控制性能指標(biāo)的反饋控制器。所得出的控制律表達(dá)式除了含有當(dāng)前的狀態(tài)反饋，還包含有前若干步控制項(xiàng)的組合，合理地反映了時(shí)滯因素的影響，使得本方法對(duì)大時(shí)滯情況亦有效。在此基礎(chǔ)上得到的平衡降階系統(tǒng)維數(shù)大大降低，非常有利于控制器的設(shè)計(jì)求解，大大提高了擴(kuò)維方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。 3．海上采油平臺(tái)有許多建造在寒冷的海區(qū)，存在嚴(yán)重的冰激振動(dòng)問題。但迄今

7、對(duì)此缺乏深入系統(tǒng)的研究工作，更沒有有效的應(yīng)對(duì)辦法。這對(duì)國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大連理工大學(xué)工程力學(xué)系承擔(dān)了國(guó)家863項(xiàng)目《新型平臺(tái)抗冰振技術(shù)》。作為該項(xiàng)目的重要參與者之一，我結(jié)合本博士論文工作，成功地將隔振技術(shù)應(yīng)用于海洋平臺(tái)冰振控制中，建立了柔性結(jié)構(gòu)端部隔振的力學(xué)模型，建立了平臺(tái)甲板隔振控制的室內(nèi)試驗(yàn)裝置，并得到了實(shí)際應(yīng)用；基于對(duì)固定破冰錐體動(dòng)冰力與冰振響應(yīng)分析，提出了在導(dǎo)管架平臺(tái)上安裝隔振錐體的創(chuàng)意，并通過反復(fù)試驗(yàn)，建立了