形狀記憶合金阻尼器—斜拉索減振控制的試驗與分析研究.pdf

1、斜拉索是斜拉橋等索支撐結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件，隨著斜拉橋跨度的逐漸增加，拉索也越來越長，輕而長的拉索的振動控制問題也日益突出。根據(jù)拉索的振動特性，尋找適合于拉索振動控制的方法和減振控制材料及裝置是解決拉索振動控制的關(guān)鍵問題。本文以這一問題為研究背景，從形狀記憶合金(SMA)材料的力學(xué)性能分析、SMA阻尼器的研制和SMA阻尼器—斜拉索系統(tǒng)振動與控制分析三個方面系統(tǒng)地開展了SMA阻尼器—斜拉索系統(tǒng)減振控制的理論分析與試驗研究工作。本文的主要工

2、作和成果如下： 1、進(jìn)行了等原子NiTiSMA絲處于超彈性狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗，研究了環(huán)境溫度、加載速率、應(yīng)變幅值、循環(huán)次數(shù)等加載工況對SMA的相變應(yīng)力、耗能能力、變形模量及殘余應(yīng)變等力學(xué)性能參數(shù)的影響規(guī)律，給出了各力學(xué)性能參數(shù)與相應(yīng)的加載工況之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的幾種SMA熱力學(xué)本構(gòu)模型，并結(jié)合SMA的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變變化規(guī)律，建立了SMA的分段線性超彈性本構(gòu)模型，該模型考慮了溫度、應(yīng)力及內(nèi)變量(馬氏體相變體積分

3、數(shù))等參數(shù)對SMA力學(xué)性能的影響，并簡化了反映馬氏體相變變化規(guī)律的相變方程。運用該模型模擬了超彈性SMA的拉伸行為，其結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合。 2、設(shè)計并制作了一種新型超彈性SMA阻尼器，通過試驗研究了加載頻率、位移幅值對該阻尼器的輸出力、剛度和耗能等力學(xué)性能參數(shù)的影響；在試驗研究和受力分析的基礎(chǔ)上，建立了該阻尼器的力學(xué)計算模型，并就模型中的關(guān)鍵參數(shù)(阻尼器內(nèi)滑條槽深與接觸面摩擦系數(shù)、SMA絲的預(yù)應(yīng)變及纏繞量、環(huán)境溫度及位移幅值

4、等)對阻尼器力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析。試驗和分析的結(jié)果表明，該阻尼器是一種位移相關(guān)性的變剛度復(fù)合摩擦阻尼器，具有輸出控制力大、耗能能力強(qiáng)和剛度可變等特性。 3、根據(jù)Hamilton原理，結(jié)合Galerkin法，建立了SMA阻尼器—拉索系統(tǒng)的非線性振動方程。以潤揚大橋斜拉橋的J13索為例，通過數(shù)值仿真分析，探討了斜拉索的三維非線性耦合振動特性，分析了SMA阻尼器及其參數(shù)(凹槽深度、接觸面摩擦系數(shù)、SMA絲的繞制量、環(huán)境溫度

5、和安裝位置等)對拉索減振效果的影響。分析結(jié)果表明，非線性耦合作用能激發(fā)或加劇拉索的三維振動反應(yīng)，其程度取決于Irvine參數(shù)的大小，當(dāng)Irvine參數(shù)很小時，非線性耦合作用的影響較小，可以忽略；安裝SMA阻尼器后，拉索的振動受到明顯的抑制作用，其中，SMA絲材的纏繞量和內(nèi)、外滑條之間的摩擦系數(shù)是影響SMA阻尼器減振效果的主要參數(shù)。 4、建立了基于LQR算法的SMA阻尼器—斜拉索系統(tǒng)振動的最優(yōu)被動控制設(shè)計理論和方法，以合理地確定S

6、MA阻尼器的有關(guān)參數(shù)，給出了SMA阻尼器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的原理和步驟，并以J13索的振動控制為例，進(jìn)行了SMA阻尼器的參數(shù)設(shè)計和相應(yīng)的控制效果分析。 5、以潤揚大橋斜拉橋的縮尺模型為試驗平臺，進(jìn)行了SMA阻尼器—斜拉索—橋面系統(tǒng)的減振試驗，研究了SMA阻尼器對J13模型索在自由振動和橋面振動激勵下的減振效果的影響，并探討了橋面振動而導(dǎo)致的模型索與橋面之間所出現(xiàn)的耦合振動現(xiàn)象，最后，就拉索自由振動的試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比，以