宏纤维复合材料的驱动方程及对斜拉索振动的主动控制

发布时间：2020-04-21 06:47

【摘要】：在交通日新月异发展的今天,我国修建了越来越多的大跨度桥梁来方便人们通行。如今,斜拉桥以其优异的跨越能力,成为了主流的大跨度桥梁结构之一。斜拉索作为斜拉桥的主要构件之一,它起着承载与传递力的作用。由于斜拉索是柔度大、质量轻的小阻尼结构,其在外界荷载作用下容易产生多种形式的的振动,长期的振动会使得斜拉索的锚固端疲劳甚至破坏,引起桥梁结构的内力重分布,严重情况下会造成桥梁结构损坏,造成巨大的经济损失。为了抑制斜拉索的振动,通常工程中采取的是被动或半主动控制方法,但它们都存在着一定的缺陷,为此本文引入了宏纤维复合材料(MFC)作为斜拉索的减振控制装置。作为一种新型的压电智能材料,宏纤维复合材料(MFC)由压电陶瓷纤维、环氧树脂基、交叉指形电极构成,它具有质量极轻、柔韧性好、驱动效果好、驱动频段宽等优点。目前,MFC已经被应用于板壳结构振动控制领域,但国内外对MFC的驱动性能研究却少之又少,还没有研究出一套完整的MFC与受控结构复合的驱动方程。因此本文展开了对MFC与受控结构复合驱动方程的研究,建立了两种MFC驱动方程,完成了MFC对平板结构的驱动试验;本文提出了一种基于MFC的斜拉索减振方法,选用的控制方法为主动控制方法,并进行了斜拉索的振动控制仿真分析。本文主要工作如下:1)推导出了两种宏纤维复合材料驱动方程,讨论了受控结构泊松比与MFC泊松比对MFC驱动力的影响,进行了MFC的平板驱动仿真与试验,分析并验证了两种宏纤维复合材料驱动方程的适用性。2)提出了一种基于MFC的斜拉索附加弯矩减振方法,将MFC沿斜拉索轴向对称粘贴,使得MFC对斜拉索施加附加弯矩。将MFC提供的附加弯矩等效为垂直于斜拉索的分布力,并以此建立了斜拉索动力学方程。3)分别运用平衡截断模型降阶方法与H_2范数降阶方法对斜拉索模型进行降阶并对比,选取平衡截断模型降阶方法的结果进行振动控制仿真。4)分别运用PID控制方法和模糊PID控制方法完成了斜拉索的主动控制仿真,结果表明模糊PID控制的效果更优,说明MFC控制斜拉索振动是可行的。
【图文】：

斜拉桥

1.1 课题研究的背景、目的和意义随着国家经济的发展，人们对交通的要求也在逐步地提高，我国需要建设更多的大跨度桥梁来完善交通网络。因此，桥梁的跨越能力成为了选择桥梁类型的重要指标之一。斜拉桥因具有造型优美、简约与跨越能力强等优点，成为大跨度桥梁结构的主要桥型之一。世界上第一座现代斜拉桥——Stromsund 桥是上个世纪五十年代由 F.Dishinger 设计建造的，，它的建成标志着斜拉桥发展的开始[1]。我国建造的时间较晚，于上个世纪七十年代年建成了第一座斜拉桥——四川省云阳桥。进入二十一世纪后，我国开始大力修建斜拉桥，经过多年的建造实践，我国建造斜拉桥的水平已经实现了世界领先。目前，我国已经成为世界上大跨度斜拉桥数量最多的国家，世界上十个最大跨径的斜拉桥，其中有六座属于我国，分别为沪通长江大桥、苏通大桥、香港昂船洲大桥、鄂东长江大桥、上海长江大桥与南京长江三桥。由于经济发展的需要，在未来的几十年里，我国大跨度桥梁建设依然会保持高速增长。

布置图,直升机旋翼,叶片模,风洞试验

7图1-3 直升机旋翼叶片模型风洞试验国外学者 Carlos、Debashis 与 Brown[23]-[24]共同合作使用压电纤维复合材料与碳纤维复合材料进行无人机设计。2009 年，瑞士学者 RolfParadies[25]基于结构流体动力学耦合模型，将压电宏纤维复合材料作为驱动器铺设于无人机主动机翼模型上，对模型分别进行静力、动力试验的探索性研究，同时对机翼扭转变形进行了仿真模拟，以此优化了机翼轮廓。附有 MFC 的无人机机翼及模型如图 1-4、1-5 所示。图1-4 无人机主动机翼模型MFC布置图
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U448.27

【相似文献】