【摘要】：本文針對(duì)地震作用下空間桿系結(jié)構(gòu)的主要受力和變形特點(diǎn)，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，研發(fā)了2種壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器，并基于此，提出了相應(yīng)的空間桿系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制理論和工程應(yīng)用方法，進(jìn)行了相應(yīng)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和分析。具體工作和研究?jī)?nèi)容如下： （1）根據(jù)國(guó)內(nèi)壓電堆材料特殊的物理力學(xué)性能，設(shè)計(jì)并研發(fā)了2種壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器。其工作原理是根據(jù)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制需要，實(shí)時(shí)改變壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓，即實(shí)時(shí)改變摩擦阻尼器摩擦面的正壓力，從而改變摩擦阻尼器的摩擦力，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的半主動(dòng)控制。通過(guò)合理構(gòu)造措施，確保了壓電堆在工作中的驅(qū)動(dòng)性能，充分發(fā)揮阻尼器的半主動(dòng)控制作用。利用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了上述壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器在多種工況下的電壓-力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了阻尼器內(nèi)壓電堆的輸入電壓與驅(qū)動(dòng)力和摩擦力之間的關(guān)系，同時(shí)考慮初始預(yù)壓力和阻尼器殼體剛度等因素對(duì)其工作性能的影響，建立了壓電半主動(dòng)摩擦阻尼器的力學(xué)模型。 （2）運(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)控制理論的基本方法，結(jié)合空間桿系結(jié)構(gòu)在地震激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)方程，建立并分析了地震激勵(lì)下空間桿系結(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型，同時(shí)基于有限單元法的基本理論和原理，分析了空間桿系結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣與剛度矩陣的建立方法，提出了壓電摩擦阻尼器控制力位置矩陣以及相對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的集成方法并進(jìn)行了分析，得出了相應(yīng)的集成公式。根據(jù)上述理論分析和推導(dǎo)結(jié)果，，運(yùn)用MATLAB模糊邏輯工具箱以及SIMULINK可視化建模功能等，建立了基于壓電摩擦阻尼器的空間桿系結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)半主動(dòng)控制仿真系統(tǒng)，為深入開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。 （3）以模態(tài)分析的可控度作為優(yōu)化配置準(zhǔn)則的性能指標(biāo)，提出了相應(yīng)的優(yōu)化配置準(zhǔn)則并編制了所需要的適應(yīng)度函數(shù)，同時(shí)運(yùn)用MATLAB遺傳算法工具箱進(jìn)行分析程序設(shè)計(jì)及編制，運(yùn)用自編程序進(jìn)行了一實(shí)際空間桿系結(jié)構(gòu)原型和模型結(jié)構(gòu)阻尼器優(yōu)化配置的理論分析和研究。結(jié)果表明，阻尼器數(shù)量較少時(shí)，阻尼器數(shù)量的增加對(duì)其控制效果的提高影響較大，但當(dāng)阻尼器數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，阻尼器數(shù)量的增加對(duì)其控制效果的影響越來(lái)越小，直至不甚明顯。另外，還對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了50個(gè)壓電摩擦阻尼器優(yōu)化配置與隨機(jī)配置的模糊半主動(dòng)地震響應(yīng)控制分析。結(jié)果表明，阻尼器優(yōu)化配置后的控制效果明顯優(yōu)于相應(yīng)隨機(jī)配置的情況，一般情況下其控制效果可提高20%，說(shuō)明了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化控制研究的必要性。 （4）基于前述的模糊半主動(dòng)控制算法，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織自學(xué)習(xí)能力，并將兩者有效結(jié)合，提出了一種空間桿系結(jié)構(gòu)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間桿系結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制。同時(shí)采用上述半主動(dòng)控制方法，進(jìn)行了一個(gè)空間桁架和一個(gè)空間網(wǎng)殼模型結(jié)構(gòu)在El-Centro地震波輸入下的計(jì)算機(jī)模擬分析。分析結(jié)果表明，文中提出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對(duì)模型結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)地震位移響應(yīng)及速度響應(yīng)等都有明顯的抑制作用，其控制效果一般情況下可達(dá)25%。此外，將基于桁架結(jié)構(gòu)LQR主動(dòng)控制的數(shù)據(jù)樣本提取的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制規(guī)則運(yùn)用到網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的所有控制器并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬分析，結(jié)果表明此規(guī)則對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也能起到明顯的抑制作用，兩者的整體控制效果相差不大，說(shuō)明基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提出的控制規(guī)則具有一定的普遍性。 （5）根據(jù)電力系統(tǒng)常用輸電塔結(jié)構(gòu)的主要變形和受力特點(diǎn)，將其桿件簡(jiǎn)化后制作了一個(gè)輸電塔式的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒃?.1mX4.1m的三維六自由度振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)，先采用白噪聲掃頻，測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的主要頻率和振型等動(dòng)力特性，然后采用2種分別在支撐和拉索上隨機(jī)布置阻尼器進(jìn)行控制以及2種相應(yīng)優(yōu)化布置阻尼器的半主動(dòng)控制方案，輸入不同幅值的EL-Centro地震波，進(jìn)行了多種工況下無(wú)控與受控模型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，分析了模型結(jié)構(gòu)在各種工況下的半主動(dòng)控制效果。結(jié)果表明，除了拉索隨機(jī)布置阻尼器控制方案的控制效果不甚明顯外，其它工況下模型結(jié)構(gòu)的整體加速度和峰值加速度等都能夠得到有效的控制，其最大控制效果可達(dá)42%，說(shuō)明文中研發(fā)的壓電摩擦阻尼器對(duì)空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)的半主動(dòng)控制是有效的。另外，對(duì)于支撐布置控制方案，輸入各種幅值的地震波，其優(yōu)化布置方案的控制效果與隨機(jī)布置方案的控制效果整體上差別不大，但對(duì)于拉索布置控制方案，優(yōu)化布置方案的控制效果明顯優(yōu)于隨機(jī)布置方案的控制效果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TU352.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2338091