基于壓電變摩擦阻尼器的半主動優(yōu)化控制研究.pdf

1、我國是一個多地震的國家,長期的地震災(zāi)害給我國造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。如何減小地震對人類社會的影響,是工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域亟需解決的重要課題,其中結(jié)構(gòu)振動控制就是一種減小地震對工程結(jié)構(gòu)影響的有效方法之一。結(jié)構(gòu)振動控制是在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位安裝適當(dāng)數(shù)量的控制裝置,當(dāng)?shù)卣鹱饔脮r,控制裝置與結(jié)構(gòu)共同抵御輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)振動控制的種類較多,其中半主動控制因同時具有主動控制和被動控制的優(yōu)點,受到了各國工程技術(shù)人員的青睞

2、,智能材料的迅猛發(fā)展又為結(jié)構(gòu)半主動振動控制的實現(xiàn)提供了一個新途徑。本文以壓電材料特殊的物理力學(xué)性能和半主動控制理論為基礎(chǔ),主要進(jìn)行了以下研究工作:
　　(1)采用ANSYS有限元分析軟件,分析了壓電陶瓷管的位移性能、出力性能及遲滯效應(yīng)等,并與材料的出廠性能進(jìn)行了比較,兩者吻合較好,說明文中建立的有限元分析模型比較合理,計算結(jié)果可靠。同時,以廠家提供的壓電陶瓷管為原型,利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),研究了一種新型壓電變摩擦阻尼器的工作原

3、理和構(gòu)造方法,建立了這種變摩擦阻尼器在簡諧荷載作用下的本構(gòu)方程,給出了相應(yīng)的設(shè)計構(gòu)造詳圖。分析結(jié)果表明,文中提出的變摩擦阻尼器能夠方便地利用壓電陶瓷管的逆壓電效應(yīng)來改變阻尼器的力學(xué)性能,有效地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動的半主動控制。
　　(2)應(yīng)用ANSYS9.0系列軟件,建立了一個空間點陣結(jié)構(gòu)的有限元分析計算模型,并且研究了該計算模型結(jié)構(gòu)半主動控制系統(tǒng)的組成以及相應(yīng)的控制原理和集成方法。同時,還采用有限元建模方法,在對壓電變摩擦阻尼器進(jìn)行動力

4、學(xué)建模的基礎(chǔ)上，建立了空間點陣計算模型結(jié)構(gòu)的半主動控制有限元動力方程,分析了半主動控制動力方程各參數(shù)的形成過程,特別是質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣和控制力位置矩陣等。此外,以此為基礎(chǔ),闡述了文中采用的半主動控制理論—最優(yōu)Bang-Bang控制算法,并根據(jù)主動控制力與結(jié)構(gòu)速度反應(yīng)之間的關(guān)系,確定壓電摩擦阻尼器提供的摩擦力,從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)振動的半主動控制。
　　(3)基于概率搜索特性的遺傳算法,研究了壓電變摩擦阻尼器在空間點陣結(jié)構(gòu)中的

5、優(yōu)化布設(shè)等問題,主要方法是在結(jié)構(gòu)中的斜撐上布設(shè)阻尼器并將其集成于結(jié)構(gòu)之中。應(yīng)用MATLAB軟件編寫了適應(yīng)度函數(shù)程序,利用GADS遺傳算法工具箱進(jìn)行了優(yōu)化計算,確定了在阻尼器數(shù)量一定的條件下,阻尼器在空間點陣結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)布設(shè)位置。最后,綜合考慮結(jié)構(gòu)的抗震可靠性、控制效果、硬件成本等因素,初步確定阻尼器的布設(shè)數(shù)量,接著通過 MATLAB仿真分析,探討了未控結(jié)構(gòu)和受控結(jié)構(gòu)、受控結(jié)構(gòu)的阻尼器隨機布設(shè)和優(yōu)化布設(shè)時地震反應(yīng)的一般規(guī)律,檢驗了相應(yīng)的控