改进的模拟退火算法及其在非线性能量阱减震控制性能优化中的运用

发布时间：2020-05-27 17:50

【摘要】：针对非线性能量阱(Nonlinear energy sink,NES)的关键设计参数寻优问题提出改进的模拟退火(Simulated annealing,SA)优化算法,以两阶段算法流程对SA算法冷却进度表的初始温度、降温因子进行训练,得出更适合NES优化问题中SA算法的冷却进度表。解决NES设计参数大空间寻优过程中迭代收敛缓慢、易于陷入局部最优的问题,首先插值构造NES的设计参数小空间,进行快速穷举寻优,获得解空间初步特性和第二阶段大空间SA过程的参数初值,借此训练更为高效的SA参数,并设置目标控制阈值以大幅降低陷入局部最优的风险,进而使改进SA收敛过程稳定高效地获得NES减震控制体系参数全设计空间的数值最优解。基于改进的SA算法上,对如下几类非线性能量阱减震控制体系进行了优化分析:(1)首先,对单自由度布置负刚度NES控制系统在脉冲的激励下,对其关键参数使用改进的SA算法进行参数优化,并与传统SA算法进行比较分析,得出改进的SA算法在收敛性能与对全局最优解的搜索能力均比传统SA算法好。其次,在优化的基础上进一步分析其在脉冲和地震荷载两类不同激励的减振性能,与I型NES、TMD相比,数值显示负刚度NES总体减振性能更佳,尤其是当主结构特性改变时,其控制效果更为明显。最后对两自由度被控主结构在地震加速度波激励下优化的参数进行不同地震波激励的减震性能分析,依然得出类似的结果;(2)对于20层Benchmark模型,负刚度NES在主结构刚度发生变化时,其对主结构的控制效果有良好的表现,而TMD在地震加速度波峰值发生变化时,其控制效果不受影响。为综合两种控制装置优点,提出负刚度NES与TMD联合控制装置。对于此并联的联合控制装置,需要优化的参数更多,优化解空间更大,使用改进的SA算法对其进行参数优化,并揭示了并联控制策略同时具备负刚度NES与TMD的优势,即在刚度鲁棒性与地震波峰值鲁棒性上均有良好的控制性能,同时也验证了改进SA算法的有效性;(3)对碰振NES模型,提出改进的碰振NES形式,进而对其进行力学模型的数值建模、优化参数与地震激励波的设计,并使用改进的SA进行对改进碰振NES的关键参数进行优化。对四层框架主结构顶层分别布置不同质量比的改进的碰振NES,评价指标的分析显示改进的碰振NES对主结构有一定的控制效果,并揭示了改进的碰振NES比改进前的碰振NES减震效果更佳。
【图文】：

框架结构模型,力学模型,矩阵

(b)顶层 TMD 附属于框架结构模型;（b）T frame with the attached TMD and (b) Me度矩阵描述如下：12nTMDmmMmm …、nm 代表的是结构第 1、2、…

示意图,平面示意图,结构模型,质量块

图 3-2 I 型 NES 结构模型图与平面示意图Fig.3-2 Structure model of Type I NES and it’s plane graphI 型非线性能量阱简称 I 型 NES ，由质量块、弹簧和阻尼器组成，其示意图如图3-2 所示。与 TMD 不同的是，I 型 NES 使用两根等长线性弹簧构造几何非线性，构造恢复力与位移呈刚度 3 次方关系。若两弹簧和质量块在同一水平线上，则此时为平衡位置，当质量块沿初始平衡位置与弹簧垂直方向移动时（此方向简称垂线方向），，其恢复力与位移关系为：2 22 (1 )IN ININlF kuu l (3-20其中，l 为被拉伸弹簧长度，k 为单个弹簧的刚度，INF 为质量块垂线方向的恢复力INu 为质量块沿垂线方向上的相对位移。将(3-20)按麦克劳林级数展开：3 30 02 (1 / ) ( / )IN IN INF ku l l ku l l(3-21其中，0l 为单个弹簧未受力下的弹簧原始长度，当质量块处于平衡位置时，0l l，代入式(3-21)得到质量块的恢复力近似表达式：
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU352.1

【参考文献】