MR阻尼器-空间网格结构的半主动控制研究

摘要

空间网格结构具有多样化的形式和美观的造型，不仅如此，它还具有合理的受力性能、重量较轻、良好的抗震性能、工期短等优点。当下，我国政府更加重视基础设施建设，着力发展一批具有地标性作用的、高标准的、高性能的具体社会服务功能的大型空间网格结构，例如，大型博物馆、国家级体育竞技场馆、高级酒店及艺术品展出馆等。鉴于大型空间网格结构在城市功能使用上的重要程度及结构设计上的复杂性，因而如何保证该类结构在强震作用下具有足够的安全性是土木工程科研工作者面临的一个重大问题。现阶段广泛应用的工程结构处于地震环境中，会出现较大强度的动力响应，使得主体架构变形甚至坍塌，难以保证结构在强震下具有足够的安全可靠度。结构振动控制技术改变了依靠主要受力构件自身刚度“硬抗”的传统抗震设计方法，通过在结构中加入控制装置有效耗散地震能量，以期提高工程架构的抗震性能，该技术受到学术界的普遍关注。本论文探究了空间网格结构在地震环境中的受力及变形情况，采用响应速度快、耐久性好、阻尼力大的MR阻尼器（磁流变阻尼器）作为减震装置。鉴于半主动控制算法具有控制效果好，外部能量需求较小的优点，提出了基于LQR控制算法的半主动控制策略。同时，考虑到实际结构中空网格结构不可避免的存在结构参数（如结构刚度和阻尼）不确定性，提出了基于滑模控制算法的半主动控制策略。以一个凯特威单层网壳结构为例，通过进行仿真试验验证所提方法的有效性，研究内容主要包括:
　　(1)详尽介绍了磁流变液所具有的物理特性和相应的本构关系;基于已有试验研究基础，选择了合适的阻尼力计算模型。
　　(2)利用ANSYS有限元分析软件建立空间网格结构的模型，提取结构的刚度和质量矩阵参数。考虑MR阻尼器控制力效应和对应的阻尼力计算模型，建立MR阻尼器-空间网格结构的动力学平衡方程，并转化为状态空间方程。
　　(3)输入南京波和EL-Centro波，利用无控状态下结构地震反应的结果，筛分出结构最不利反应的杆件位置，从而合理选择出结构中MR阻尼器的最优布置方案。然后，提出了基于LQR控制算法的半主动控制策略，利用MATLAB语言编程，分析加入MR阻尼器的结构在两种不同地震波作用下的时程反应，仿真分析结果表明，结构在地震波作用下的峰值响应较无控状态明显降低，体现了此方法具有较好的控制效果。
　　(4)由于滑模变结构控制无需确定性的模型，因此本文提出了基于滑模控制算法的半主动控制策略。仿真试验考虑了半主动控制系统无控和受控时反应;仿真分析结果表明，利用该方法使得结构的地震峰值响应有效地削弱。而为了证明滑模控制算法的鲁棒性能，降低结构刚度的20％，对比结果表明了控制策略的鲁棒性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 结构振动控制理论研究与应用概述

1．3 智能材料概述

1．3．1 形状记忆合金

1．3．2 磁致伸缩材料

1．3．3 磁流变液材料

1．4 空间网格结构抗震控制的研究与应用

1．4．1 空间网格结构的支座隔震研宄

1．4．2 空间网格结构的被动减震控制研究

1．4．3 空间网格结构的半主动减震控制研宄

1．4．4 空间网格结构的主动及智能减晨控制研究

1．5 磁流变阻尼置减振控制技术

1．6 本文工作的主要内容

2 磁流变阻尼器及网格结构模型的建立

2．1 引言

2．2 磁流变液

2．2．1 磁流变液的性质

2．2．2 磁流变液的本构关漂

2．3 磁流变阻尼器

2．3．1 磁流变阻尼器的工作原理及工作模式

2．3．2 磁流变阻尼器的动力学模型

2．3．3 磁流变液阻尼器的阻尼力影响参数

2．4 磁流变阻尼器的阻尼力的计算模型

2．5 网格结构体系建模

2．5．1 有限元法概述

2．5．2 网格结构建模

2．6 本章小结

3 基于LQR控制算法的结构半主动控制

3．1 引言

3．2 磁流变阻尼器的半主动控制系统

3．2．1 基于主动控制算法的半主动控制流程

3．2．2 基本控制方程

3．3 磁流变阻尼器基于LQR半主动控制算法分析

3．3．1 LQR控制算法

3．3．2 半主动控制策略

3．3．3 用MATLAB实现LQR控制算法

3．4 磁流变阻尼器的布置

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

4 基于滑模控制算法的结构半主动控制

4．1 引言

4．2 滑模变结构控制基本原理

4．2．1 滑动模态定义

4．2．2 滑模变结构控制的定义

4．3 基于滑模控制算法的半主动控制

4．3．1 运动方程及其简约型

4．3．2 切换函数的确定

4．3．3 滑模控制器的设计

4．3．4 半主动控制算法

4．4 用MATLAB实现滑模控制

4．5 仿真分析

4．6 滑模控制算法鲁棒性的验证

4．7 本章总结

5 主要工作总结和研究展望

5．1 主要工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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