磁流变阻尼器对斜拉桥拉索振动控制的理论与试验研究

摘要

大跨度斜拉桥拉索由于质量轻、阻尼小、柔性大，极易在风、风雨和桥面振动等外部激励下产生大幅振动，拉索的大幅振动对拉索的使用寿命和桥梁安全运营构成极大威胁，它已成为大跨度斜拉桥急需解决的关键问题之一。磁流变阻尼器具有阻尼力大小可调、响应快、性能稳定等优点而受到广泛关注。本文采用磁流变阻尼器对拉索的振动控制进行了理论和试验研究，系统深入地研究了磁流变阻尼器的力学性能及磁流变阻尼器对拉索振动的控制效果。具体的研究内容和取得的成果包括： 1. 在阻尼力实测的结果上提出了磁流变阻尼器的非线性参数模型，非线性参数模型能够较好地模拟永磁调节式磁流变阻尼器与RD-1005型磁流变阻尼器的力学性能。提出了递推法计算非线性参数模型的数值计算方法，该方法能在时间步长为10<'-3>s时模拟出磁流变阻尼器的阻尼力时程。建立了动态调节适应度和多层次压缩搜索区间的遗传算法——层次压缩遗传算法。该方法既能克服传统遗传算法的早熟和停滞现象，又能加速收敛速度，该算法在非线性物理参数识别方面具有良好的效果。 2．建立了拉索—磁流变阻尼器系统动力响应的有限单元模型，对试验索与永磁调节式磁流变阻尼器系统进行了全时程的数值仿真分析，其中阻尼器采用非线性参数模型。计算了阻尼器不同的安装高度、不同的磁场强度对系统等效模态阻尼比、钳固效应和频率变化的影响。拉索系统的等效模态阻尼比与拉索的振幅(或动能幅值)相关。随着阻尼器安装位置的提高，阻尼器对拉索的减振效果提高，系统的模态频率也略微增大。 3．提出了适合于拉索—磁流变阻尼器系统的基于位移延时反馈的Bang-Bang控制和基于位移延时反馈的自适应控制的两种半主动控制算法。以实验室所建立的模型拉索为研究对象，对拉索系统的自由衰减振动和强迫振动进行了有限元数值仿真分析。数值仿真结果表明：对于自由衰减振动的拉索系统的前三阶模态，半主动控制所获得的等效模态阻尼比比磁流变阻尼器的最优被动控制相应提高了67％、49％、44％，与粘性油阻尼器的最优被动控制相比，也可以得到基本相同的结果；对于强迫振动，半主动控制时拉索的前三阶模态位移响应比最优被动控制时分别减小37％、39％和18％。合理选择电压的开关时间是半主动控制获得良好效果的关键，对于拉索系统的前三阶模态，零电压持续时间△τ分别为0.1s、0.08s、0.06s时，系统获得最大的等效模态阻尼比。随着阻尼器安装高度的增大和拉索振动频率的提高，半主动控制相对于最优被动控制的优势减小。 4．利用dSPACE、Matlab/simulink、MR阻尼器和电流放大器等工具，建立了磁流变阻尼器和拉索的半主动控制试验平台。采用基于位移延时反馈的Bang-Bang控制算法对拉索系统进行了半主动和被动控制试验，测量了磁流变阻尼器的输入电压、延时时间τ<,2>和零电压持续时间△τ对拉索减振效果、模态频率的影响，同时对拉索索力也进行了测量。试验结果同样表明：半主动控制的效果优于最优被动控制：对于拉索的前三阶模态振动，半主动控制测得的拉索—磁流变阻尼器系统等效模态阻尼比小于有限元计算结果，分别为计算值的78％、89％和74％。 5．对长沙洪山大桥S09索进行了试验，采用共振激振后突然释放的试验方法，得到了拉索分别在安装不同阻尼器时前三阶振动的自由衰减信号。结果表明：拉索在安装阻尼器后系统的模态阻尼比显著提高；永磁调节式磁流变阻尼器对拉索的减振效果优于油阻尼器；永磁调节式磁流变阻尼器对拉索的的减振效果存在一优化磁场强度，现场试验结果与理论计算结果吻合。根据理论分析与试验结果，对长沙洪山大桥拉索实施了磁流变减振。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2拉索振动问题的研究现状

1.2.1参数振动

1.2.2内部线性共振

1.2.3涡激共振

1.2.4尾流驰振

1.2.5裹冰拉索驰振

1.2.6风雨激振

1.2.7高风速下涡激振动

1.3拉索振动控制研究现状

1.3.1空气动力学措施

1.3.2辅助索控制措施

1.3.3阻尼器控制措施

1.3.4磁流变阻尼器对拉索的振动控制

1.4本文的研究目的、意义

1.5本文研究的主要内容与创新点

第2章磁流变阻尼器性能试验及力学模型

2.1引言

2.2磁流变阻尼器

2.2.1 MR阻尼器的基本工作类型

2.2.3永磁调节式MR阻尼器

2.3 MR阻尼器性能试验

2.3.1试验设计

2.3.2永磁调节式MR阻尼器磁流变液性能

2.3.3永磁调节式MR阻尼器的磁感应强度

2.3.4永磁调节式MR阻尼器阻尼力测试结果

2.4 MR阻尼器现有力学模型回顾

2.5 MR阻尼器非线性参数模型及参数识别

2.5.1 MR阻尼器非线性参数模型

2.5.2非线性参数模型数值实现方法

2.5.3非线性参数模型参数识别的遗传算法

2.5.4永磁式MR阻尼器理论模型与试验结果的比较

2.5.5 RD-1005型MR阻尼器理论模型与试验结果的比较

2.6小结

第3章拉索系统非线性动力响应有限元分析

3.1引言

3.2拉索大位移静力构形的有限元分析

3.2.1空间杆单元的切线刚度矩阵

3.2.2非线性有限元平衡方程的求解

3.2.3几何非线性考题

3.3拉索-MR阻尼器系统有限元动力分析

3.3.1质量矩阵

3.3.2阻尼矩阵

3.3.3拉索-MR阻尼器系统动力方程求解

3.4 MR阻尼器对拉索的钳固效应分析

3.5拉索-MR阻尼器系统数值分析

3.5.1拉索振动动能峰值大小对阻尼器减振效果的影响

3.5.2拉索振动动能峰值大小对等效模态阻尼比的影响

3.5.3阻尼器安装位置、磁场强度对等效模态阻尼比的影响

3.5.4拉索系统不同模态振动时优化磁场强度的确定

3.5.5阻尼器对拉索的钳固效应

3.5.6拉索振动动能峰值大小对模态频率的影响

3.5.7阻尼器安装高度、磁场强度对模态频率的影响

3.6小结

第4章拉索-MR阻尼器系统半主动控制的理论分析

4.1引言

4.2 MR阻尼器对拉索振动的半主动控制算法

4.2.1极小值原理

4.2.2拉索-MR阻尼器系统的Bang-Bang控制

4.2.3拉索-MR阻尼器非线性系统的控制算法

4.3半主动控制效果的有限元仿真分析

4.3.1模型拉索基本参数

4.3.2 MR阻尼器响应时间

4.3.3粘性油阻尼器与MR阻尼器对拉索的最优被动控制

4.3.4自由振动条件下基于位移延时反馈的Bang-Bang控制

4.3.5强迫振动条件下自适应控制效果分析

4.4 小结

第5章半主动控制试验

5.1引言

5.2拉索-MR阻尼器系统半主动控制系统

5.2.1 dSPACE实时仿真系统简介

5.2.2 dSPACE控制信号在实物仿真中的实现

5.3 MR阻尼器响应时间测定

5.3.1试验仪器与连接方法

5.3.2 MR阻尼器响应时间试验结果分析

5.4拉索-MR阻尼器系统半主动控制试验

5.4.1试验设计

5.4.2测试方法与信号处理

5.5试验结果与分析

5.5.1被动控制结果分析

5.5.2半主动控制试验结果与分析

5.6拉索减振效果的试验结果与理论分析结果的比较

5.7小结

第6章MR阻尼器对拉索减振的试验研究与工程应用

6.1引言

6.2拉索减振试验

6.2.1工程背景

6.2.2现场试验方法及数据处理

6.3试验结果分析

6.3.1MR阻尼器、油阻尼器与橡胶阻尼器对拉索减振效果比较

6.3.2MR阻尼器对拉索的钳固效应

附录

致谢