基于壓電摩擦阻尼器的輸電塔模型結構半主動控制試驗研究.pdf

1、在人類面臨的各種自然災害中,地震是其中之一,給人類帶來了嚴重的人身和經濟危害。地震中建筑結構的損壞和倒塌是造成人員傷亡的主要原因,因此工程結構抗震在土木工程領域處于十分重要的地位。在結構設計經濟合理的同時保證結構在地震作用下的可靠性與安全性,降低地震給人類帶來的人員傷亡和經濟損失,是工程界極其關注的問題,其中結構振動控制是能夠有效減小震害的方法之一。當?shù)卣鸢l(fā)生時,控振裝置與結構一起抵御地震動輸入到結構中的能量,降低結構的振動反應。結構被

2、動控制、半主動控制與主動控制是三種主要的結構控振方法,其中結構半主動控制結合了結構被動控制與結構主動控制的優(yōu)點,應用前景廣闊。隨著智能材料的發(fā)展,結構半主動控制的實現(xiàn)途徑不斷增多。本文就是在這樣的背景下應用壓電材料的逆壓電效應制成了一種帶有自動復位功能的壓電摩擦阻尼器,以半主動控制理論為基礎,進行了以下研究:
　　(1)分析了壓電陶瓷驅動器的本構關系和出力機理,在此基礎上設計了一種新型壓電摩擦阻尼器,提出阻尼器的阻尼力模型,同時進

3、行理論出力計算。對壓電摩擦阻尼器進行試驗研究,包括試驗裝置的設計、摩擦系數(shù)的測定和驅動性能測試。將試驗結果與理論出力計算進行對比分析,為阻尼器后續(xù)的理論與試驗研究提供了出力依據。對阻尼器進行了滯回性能試驗,證明其有穩(wěn)定的耗能能力。
　　(2)在前人研究的基礎上闡述了半主動控制系統(tǒng)的工作原理,包括系統(tǒng)運動方程的建立、系統(tǒng)狀態(tài)空間的形成、LQR算法中主動最優(yōu)控制力的確定和最優(yōu)Bang-Bang半主動控制策略的實現(xiàn)過程。運用有限元軟件A

4、NSYS建立輸電塔結構仿真模型,提取結構的質量矩陣和剛度矩陣。運用MATLAB軟件建立結構仿真中所需的結構阻尼矩陣與控制力位置矩陣等。通過編寫MATLAB程序實現(xiàn)LQR算法中主動最優(yōu)控制力的計算和最優(yōu) Bang-Bang半主動控制策略。仿真結果表明摩擦阻尼器耗能良好,能夠有效減小結構的地震反應,最優(yōu) Bang-Bang半主動控制策略行之有效,為振動臺試驗奠定了理論基礎。
　　(3)對安裝有壓電摩擦阻尼器的輸電塔模型結構進行了振動臺

5、試驗研究。試驗時壓電摩擦阻尼器分別通過鋼索連接在結構兩側,分兩層不同高度進行對比分析研究。整個試驗過程包括模型的設計、拉索-壓電摩擦阻尼器減振系統(tǒng)的設計與安裝、傳感器的布置、半主動控制系統(tǒng)的建立以及地震動的輸入等。對試驗結構進行模態(tài)分析,之后對試驗記錄數(shù)據進行處理,包括阻尼器減震效果分析和能量研究等,得出了以下結論:拉索-壓電摩擦阻尼器減振系統(tǒng)能夠有效參與結構地震中的耗能,減振效果良好;輸入地震能量越小,摩擦阻尼器減震效果越好;拉索安裝