基于压电摩擦阻尼器的空间杆系结构地震响应半主动控制

发布时间：2018-11-17 14:17

【摘要】：本文针对地震作用下空间杆系结构的主要受力和变形特点，利用压电材料的逆压电效应，研发了2种压电半主动摩擦阻尼器，并基于此，提出了相应的空间杆系结构地震响应控制理论和工程应用方法，进行了相应的模拟地震振动台试验和分析。具体工作和研究内容如下：（1）根据国内压电堆材料特殊的物理力学性能，设计并研发了2种压电半主动摩擦阻尼器。其工作原理是根据结构地震响应控制需要，实时改变压电驱动器的电压，即实时改变摩擦阻尼器摩擦面的正压力，从而改变摩擦阻尼器的摩擦力，以实现结构地震响应的半主动控制。通过合理构造措施，确保了压电堆在工作中的驱动性能，充分发挥阻尼器的半主动控制作用。利用自主研发的试验装置，进行了上述压电半主动摩擦阻尼器在多种工况下的电压-力学性能试验，研究了阻尼器内压电堆的输入电压与驱动力和摩擦力之间的关系，同时考虑初始预压力和阻尼器壳体刚度等因素对其工作性能的影响，建立了压电半主动摩擦阻尼器的力学模型。（2）运用现代结构控制理论的基本方法，结合空间杆系结构在地震激励下的动力学方程，建立并分析了地震激励下空间杆系结构的状态空间模型，同时基于有限单元法的基本理论和原理，分析了空间杆系结构质量矩阵与刚度矩阵的建立方法，提出了压电摩擦阻尼器控制力位置矩阵以及相对状态转换矩阵的集成方法并进行了分析，得出了相应的集成公式。根据上述理论分析和推导结果，，运用MATLAB模糊逻辑工具箱以及SIMULINK可视化建模功能等，建立了基于压电摩擦阻尼器的空间杆系结构地震响应半主动控制仿真系统，为深入开展理论和试验研究提供了依据。（3）以模态分析的可控度作为优化配置准则的性能指标，提出了相应的优化配置准则并编制了所需要的适应度函数，同时运用MATLAB遗传算法工具箱进行分析程序设计及编制，运用自编程序进行了一实际空间杆系结构原型和模型结构阻尼器优化配置的理论分析和研究。结果表明，阻尼器数量较少时，阻尼器数量的增加对其控制效果的提高影响较大，但当阻尼器数量达到一定数量时，阻尼器数量的增加对其控制效果的影响越来越小，直至不甚明显。另外，还对原型结构进行了50个压电摩擦阻尼器优化配置与随机配置的模糊半主动地震响应控制分析。结果表明，阻尼器优化配置后的控制效果明显优于相应随机配置的情况，一般情况下其控制效果可提高20%，说明了对结构进行优化控制研究的必要性。（4）基于前述的模糊半主动控制算法，运用神经网络的自组织自学习能力，并将两者有效结合，提出了一种空间杆系结构模糊神经网络半主动控制方法，实现了对空间杆系结构的模糊神经网络半主动控制。同时采用上述半主动控制方法，进行了一个空间桁架和一个空间网壳模型结构在El-Centro地震波输入下的计算机模拟分析。分析结果表明，文中提出的模糊神经网络控制算法对模型结构的节点地震位移响应及速度响应等都有明显的抑制作用，其控制效果一般情况下可达25%。此外，将基于桁架结构LQR主动控制的数据样本提取的模糊神经网络控制规则运用到网壳结构的所有控制器并进行相应的计算机模拟分析，结果表明此规则对网壳结构的地震响应也能起到明显的抑制作用，两者的整体控制效果相差不大，说明基于模糊神经网络算法提出的控制规则具有一定的普遍性。（5）根据电力系统常用输电塔结构的主要变形和受力特点，将其杆件简化后制作了一个输电塔式的试验模型，并在4.1mX4.1m的三维六自由度振动台上进行了模型结构的模拟地震振动台试验研究。试验时，先采用白噪声扫频，测试模型结构的主要频率和振型等动力特性，然后采用2种分别在支撑和拉索上随机布置阻尼器进行控制以及2种相应优化布置阻尼器的半主动控制方案，输入不同幅值的EL-Centro地震波，进行了多种工况下无控与受控模型结构的模拟地震振动台对比试验，分析了模型结构在各种工况下的半主动控制效果。结果表明，除了拉索随机布置阻尼器控制方案的控制效果不甚明显外，其它工况下模型结构的整体加速度和峰值加速度等都能够得到有效的控制，其最大控制效果可达42%，说明文中研发的压电摩擦阻尼器对空间杆系结构进行地震响应的半主动控制是有效的。另外，对于支撑布置控制方案，输入各种幅值的地震波，其优化布置方案的控制效果与随机布置方案的控制效果整体上差别不大，但对于拉索布置控制方案，优化布置方案的控制效果明显优于随机布置方案的控制效果。
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【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU352.1

【参考文献】

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