基于SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制分析.pdf

1、控制策略、減震裝置以及減震裝置的集成數(shù)量和位置在很大程度影響著結(jié)構(gòu)的減震效果。因此，控制策略的研究、減震裝置的研發(fā)和集成方案的優(yōu)化一直是工程結(jié)構(gòu)減震控制研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文利用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)寫為SMA）和壓電堆獨(dú)特的物理力學(xué)性能，結(jié)合摩擦減震裝置的工作原理，研發(fā)了一種SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置，并以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了該復(fù)合減震裝置的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入（位移/電壓）-輸出（出力）本構(gòu)模型，接著針對(duì)免

2、疫克隆選擇算法存在一些不足，提出了一種改進(jìn)的免疫克隆選擇算法（Improved Immune Clonal Algorithm，簡(jiǎn)寫為IICA），最后結(jié)合模糊控制策略，對(duì)復(fù)合減震裝置的優(yōu)化集成方案進(jìn)行了仿真分析，得出了一些有益的研究結(jié)論和建議。主要工作如下：
　?。?）結(jié)合SMA、壓電堆和摩擦減震裝置各自的特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)減震控制目標(biāo)和工程需求，當(dāng)位移較小時(shí)，只有SMA被動(dòng)耗能；位移較大時(shí)，SMA和壓電摩擦半主動(dòng)減震裝置同時(shí)工作，并

3、且通過(guò)調(diào)節(jié)電壓，以實(shí)現(xiàn)效果較好的混合半主動(dòng)減震控制?；谏鲜鲈?，研發(fā)了一種SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置，并進(jìn)行了相應(yīng)的電/力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了加載頻率、位移幅值和輸入電壓等對(duì)出力和單位循環(huán)耗散能量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓電堆工作時(shí)，隨著電壓增大，復(fù)合減震裝置的出力和耗能能力基本呈線性增加。當(dāng)位移幅值為12mm，電壓從0V增大到120V時(shí)，復(fù)合減震裝置的耗能能力提高了129％。此外，研究結(jié)果還表明，文中研發(fā)的復(fù)合減震裝置的雙向出力較大，工

4、作性能幾乎不受加/卸載頻率影響，滯回曲線飽滿且對(duì)稱性較好，說(shuō)明文中研發(fā)的復(fù)合減震裝置的工作性能穩(wěn)定，適用范圍較廣。
　　（2）在SMA材料力學(xué)性能試驗(yàn)和SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置電/力學(xué)性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別采用兩種神經(jīng)元輸入的方式，建立了相應(yīng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)本構(gòu)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)SMA材料的本構(gòu)模型，文中建立的SMA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)本構(gòu)模型具有較高的精度，且便于工程實(shí)際的應(yīng)用。相對(duì)于SMA預(yù)測(cè)本構(gòu)

5、模型，由于減少了神經(jīng)元輸入?yún)⒘浚瑥?fù)合減震裝置的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度有所降低，但預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，能夠滿足工程應(yīng)用的精度要求。
　　（3）遺傳算法是目前工程中應(yīng)用較多的智能優(yōu)化算法之一，但存在著種群多樣性差和容易陷入“早熟”等問(wèn)題，不容易得到全局最優(yōu)解?；久庖呖寺∷惴m然具有較好的全局搜索能力，但收斂速度和穩(wěn)定性較差。為此，本文對(duì)基本免疫克隆選擇算法和遺傳算法分別進(jìn)行了一些改進(jìn)，并且分別采用文中改進(jìn)的遺傳算法（

6、Improved Genetic Algorithm，簡(jiǎn)寫為IGA）和文中的IICA對(duì)4個(gè)二維函數(shù)進(jìn)行了的尋優(yōu)。結(jié)果表明，GA即使通過(guò)一定的改進(jìn)，也很難找到全局最優(yōu)值點(diǎn)，容易陷入局部收斂；而IICA既保留了最優(yōu)個(gè)體，又維持了較好的種群多樣性，大大提高了其空間搜索能力和收斂速度。
　?。?）文中建立了SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置的模糊控制器，結(jié)合文中建立的SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，采用MATLAB中的Sim

7、ulink模塊，進(jìn)行了一個(gè)8層鋼框架隨機(jī)集成SMA-壓電摩擦復(fù)合減震系統(tǒng)的復(fù)合減震性能分析。結(jié)果表明，在不同地震波激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均有不同程度的減小，說(shuō)明文中的模糊控制策略具有較好的可靠性和適應(yīng)性。
　?。?）以受控結(jié)構(gòu)最大層間位移角最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，采用IICA對(duì)一個(gè)12層鋼框架集成SMA-壓電摩擦復(fù)合減震裝置的方案進(jìn)行了優(yōu)化分析，結(jié)果表明，與隨機(jī)集成復(fù)合減震裝置相比，優(yōu)化集成后結(jié)構(gòu)各層的層間位移均明顯減小，可見優(yōu)化集