一种压电摩擦阻尼器的半主动控制研究

摘要

结构的减振控制方法可归纳为被动控制、半主动控制、主动控制以及混合控制等。近年来国际振动控制研究的前沿技术是智能控制，利用压电材料制成的压电摩擦阻尼器就是一种智能控制装置。本文利用压电材料的逆压电效应和等效弹簧刚度理论提出了一种压电摩擦阻尼器，并通过半主动控制算法对阻尼器的控制效果进行数值模拟分析。主要包括以下工作:
　　1)通过研究压电材料的物理力学性能，利用有限元软件建立数值模型，将分析结果与压电材料的出厂性能进行对比，验证数值模型的正确性。通过ABAQUS软件的Python二次开发接口编写程序脚本实现了叠堆片的复制、对叠堆片赋予材料属性和对叠堆片加载电压的前处理操作。
　　2)利用等效弹簧刚度理论对设计的压电摩擦阻尼器进行理论分析;利用电能输入和机械能输出原理来优化阻尼器外壳尺寸;通过数值模拟得到了阻尼器在简谐位移制度下不同加载电压的力与位移关系曲线。
　　3)利用遗传算法对LQR控制算法中的Q、R权矩阵进行优选，结构的位移、加速度以及阻尼器的阻尼力为参考目标建立适应度函数。优选后和人工试算寻找到的Q、R权矩阵形成的两种工况进行结构控制效果比较，得出优化后的控制函数对结构的控制效果较好，从而验证了遗传算法对于搜索全局最优响应值的可行性。
　　4)提出了一种改进的Bang-Bang控制策略，通过控制策略来控制压电摩擦阻尼器的输入电压，达到压电摩擦阻尼器对结构层间位移和楼层加速度控制的目的。数值模拟了在改进的控制策略下压电摩擦阻尼器对某三层钢框架结构的控制，分析结果表明压电摩擦阻尼器对结构的层间位移和楼层加速度的控制效果较好。

目录

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致谢

摘要

1．1 引言

1．2 压电摩擦阻尼器的研究现状

1．3 结构振动控制的半主动控制算法现状

1．4 本文主要研究内容

2．1 引言

2．2 压电材料的性能参数介绍

2．3 压电材料的本构方程

2．4 压电叠堆的理论分析

2．5 压电叠堆作动器有限元模拟

2．5．1 ABAQUS前处理介绍

2．5．2 Python二次开发接口介绍

2．5．3 模型算例部分代码分析

2．5．4 压电叠堆数值建模参数

2．6 压电叠堆数值模拟结果分析

2．7 小结

3 压电摩擦阻尼器建模分析

3．1 压电摩擦阻尼器理论分析

3．1．1 压电摩擦阻尼器工作原理及构造

3．1．2 压电摩擦阻尼力模型的介绍

3．1．3 阻尼器模型的等效刚度分析

3．1．4 阻尼器参数分析

3．2 压电摩擦阻尼器数值模拟

3．3 数值模拟结果分析

3．4 小结

4 压电摩擦阻尼器的半主动控制算例分析

4．1 钢框架模型介绍

4．2 结构的半主动控制

4．2．1 经典最优控制算法

4．2．2 线性结构的动力分析

4．3 基于Bang-Bang控制的辅助控制器设计

4．4 基于遗传算法的LQR控制器优化设计

4．4．2 权矩阵系数的优化

4．4．3 权矩阵优化后的结构响应分析

4．5 小结

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

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