空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)主動(dòng)控制理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其新穎的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)雅的建筑造型和強(qiáng)大的跨越能力等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于公共建筑和工業(yè)建筑等領(lǐng)域。特別是近年來(lái)，隨著我國(guó)一些重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開(kāi)展，建設(shè)了一批高標(biāo)準(zhǔn)、高規(guī)格的體育場(chǎng)館、會(huì)議展覽館、機(jī)場(chǎng)航站樓等社會(huì)公共建筑，這些建筑在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)，往往作為重大工程也是一個(gè)城市或國(guó)家的標(biāo)志性建筑，故保證其在地震、臺(tái)風(fēng)等動(dòng)力荷載作用下的安全性就尤為重要。但隨著此類(lèi)結(jié)構(gòu)跨度增大、高度增加以及結(jié)構(gòu)形式的日益復(fù)雜，按照傳統(tǒng)方法設(shè)

2、計(jì)的工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震/強(qiáng)風(fēng)等作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，造成破壞或倒塌。近年來(lái)發(fā)展迅速的振動(dòng)控制技術(shù)為保障這類(lèi)結(jié)構(gòu)的安全可靠提供了一個(gè)新途徑。
　　 本文主要針對(duì)地震作用下空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力和變形特點(diǎn)，利用超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material—GMM)特殊的物理力學(xué)性能，研發(fā)GMM主動(dòng)控制系統(tǒng)，提出相應(yīng)的控制理論和工程應(yīng)用技術(shù)。主要工作和研究?jī)?nèi)容包括：
　　 (1)在充分研

3、究GMM的變形機(jī)理及磁控特性的基礎(chǔ)上，以其為核心元件并結(jié)合空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)主動(dòng)控制的需求，研發(fā)了2種新型作動(dòng)器，并從磁場(chǎng)、磁路、預(yù)壓力裝置、溫控裝置等方面系統(tǒng)地分析了作動(dòng)器的工作原理和構(gòu)造方法，重點(diǎn)進(jìn)行了磁路的優(yōu)化與分析，探討了相應(yīng)的的磁力學(xué)性能，建立了作動(dòng)器的電磁有限元分析與設(shè)計(jì)模型。
　　 (2)采用HT-2402多功能伺服控制試驗(yàn)機(jī)，對(duì)文中研發(fā)的GMM作動(dòng)器進(jìn)行了磁-力耦合性能試驗(yàn)，分析了不同預(yù)壓力下輸出性能與驅(qū)動(dòng)電流

4、的關(guān)系，找出了保證輸出性能最優(yōu)時(shí)的預(yù)壓應(yīng)力，探討了GMM作動(dòng)器的輸出力-輸出位移之間的規(guī)律，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了GMM作動(dòng)器的電流驅(qū)動(dòng)模型，具有較好的適用性。
　　 (3)分析了GMM的磁致伸縮逆效應(yīng)機(jī)理，探討了GMM作動(dòng)器的自傳感特性并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，總結(jié)了各種參數(shù)對(duì)其應(yīng)力傳感性能的影響規(guī)律，驗(yàn)證了應(yīng)用GMM作動(dòng)器的自傳感特性進(jìn)行空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力傳感的可行性，并分析了其作為自傳感作動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震監(jiān)測(cè)控制的基

5、木原理和實(shí)現(xiàn)方法。
　　 (4)對(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及控制理論進(jìn)行了全而分析，基于現(xiàn)代控制理論，建立了結(jié)構(gòu)的狀態(tài)空間模型，并對(duì)受控結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的有限元建模方法進(jìn)行了深入研究，推導(dǎo)了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中普通桿件、GMM作動(dòng)器、GMM主動(dòng)桿件的動(dòng)力限元學(xué)模型，提山了GMM主動(dòng)桿件的控制力位置矩陣的集成方法。
　　 (5)分析了GMM主動(dòng)桿件在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化配置方法，研究了評(píng)價(jià)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中GMM主動(dòng)桿件布置位置優(yōu)

6、化的性能指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了適應(yīng)度函數(shù)；提出了基于遺傳算法的優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)方法，利用MATLAB軟件編寫(xiě)了適應(yīng)度函數(shù)程序并應(yīng)用GADS工具箱進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，不僅提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算效率，而且可保證結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化；編寫(xiě)了LQR控制算法程序并對(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)主動(dòng)控制的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算，通過(guò)分析多種工況下的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了應(yīng)用遺傳算法對(duì)GMM主動(dòng)桿件進(jìn)行優(yōu)化配置的有效性和可行性。
　　 (6)分析了模糊控制系統(tǒng)及模糊控制器設(shè)計(jì)

7、的基本理論，應(yīng)用MATLAB軟件中的模糊邏輯控制工具箱，設(shè)計(jì)了一種雙輸入單輸出的二維模糊控制器，從位移和速度的相互關(guān)系中尋找控制策略，從而得到模糊控制力以控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；針對(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的模糊控制，根據(jù)文中設(shè)計(jì)的模糊控制器，應(yīng)用MATLAB軟件中的SIMU LINK工具箱，建立了無(wú)控時(shí)和模糊控制時(shí)的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析系統(tǒng)，以模擬空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)過(guò)程；詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行原理以及系統(tǒng)中各個(gè)模塊的功能與作用，實(shí)現(xiàn)了空間網(wǎng)

8、格結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的在線運(yùn)行。
　　 (7)通過(guò)合理設(shè)計(jì)的主動(dòng)控制策略，簡(jiǎn)化了控制方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)主動(dòng)控制；設(shè)計(jì)制作了一個(gè)凱威特型單層網(wǎng)殼的模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了設(shè)置GMM主動(dòng)桿什和未設(shè)GMM主動(dòng)桿件的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)工況共10余種。結(jié)果表明，文中提出的主動(dòng)控制方法以及相應(yīng)的主動(dòng)控制系統(tǒng)能夠很好地控制模型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，一般地控制效果可達(dá)25％以上，說(shuō)明文中研制的GMM主動(dòng)控制系統(tǒng)以及提出的主動(dòng)控制方法是有