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《大连理工大学》 2007年
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环境荷载激励下工程结构振动控制方法及实验研究

于骁  
【摘要】: 工程结构在使用过程中要承受各种环境荷载的作用。结构在这些环境荷载的作用下会发生振动,严重时结构会大量破坏与倒塌。这是造成灾害的直接原因。通常的结构体系是通过结构本身的强度来“抗御”环境荷载作用的,即通过结构在振动过程中由于形状变化而储存或消耗能量的能力来抵御外载。但迄今由于人们尚不能准确地估计结构未来可能遭遇的环境荷载的强度和特性,在这种不确定性的环境荷载作用下,结构很可能不满足安全性的要求而产生严重破坏甚至倒塌,造成重大的经济损失和人员伤亡。结构控制是解决这一问题的有效途经。其思想是在结构上设置适当的控制机构,而由控制机构与结构共同控制和抵御地震、狂风、海冰等环境荷载,使结构的动力反应减小,从而避免严重损害或倒塌发生。近二十多年来,对结构控制的研究取得了许多进展,但是已有的理论和方法在实际工程中应用时还存在许多障碍。虚拟激励法和精细时程积分法以其突出的特点已经在工程中获得了很多应用。可以预期,它们也为控制理论更广泛地进入到工程领域提供了一条新的、有效的途径。本博士学位论文就是尝试将这两种方法引入到控制理论中,先后研究了LQG控制、精细瞬时最优控制、时滞控制等新算法,一步一步拉近控制理论与实际应用的距离。在“863”国家高技术研究发展计划“新型平台抗冰振技术”(编号2001AA602015)项目的支持下,本文对海洋平台的冰振控制作了深入的探索,建立了实验室模型控制系统,实验研究了隔振技术在海洋平台的应用,其研究成果已经应用在JZ202-NW平台上,取得了良好的实际效果。本文主要的创新性研究工作可归纳如下: 1.地震实际上为一非平稳随机过程。本文将虚拟激励法引入到LQG控制中,推导出非平稳随机地震激励下的LQG控制问题闭合解,不但精确,而且高效。用此方法对毗邻建筑考虑局部场地效应时的LQG控制问题作了研究,利用闭合解对主要参数所作的研究表明,对于给定的加权阵Q和R,场地土的卓越频率和阻尼比变化对减震效果有显著影响。本文方法也可推广应用于其它类型的演变随机响应问题。 2.用精细积分手段对最优控制方法的实用化作了多角度的更新。 (1)用精细积分代替以往采用的近似积分公式,提出了多种精细瞬时最优控制算法,包括精细瞬时闭环最优控制,精细瞬时开环最优控制和精细瞬时开闭环最优控制。这些算法不但具有精细积分高精度的特点,而且对于时间步长较大的情况仍可给出比拟于精确解的数值结果。大量算例表明了这些方法的有效性。 (2)结构控制反馈环节中的时滞因素难于有效地处理,长期制约着结构动力控制技术的发展和应用,导致所设计的控制器不能对被控系统进行有效的控制。本文将精细积分法及平衡降阶法引入到时滞控制中,利用精细积分法精确求解离散化参数,设计满足振动控制性能指标的反馈控制器。所得出的控制律表达式除了含有当前的状态反馈,还包含有前若干步控制项的组合,合理地反映了时滞因素的影响,使得本方法对大时滞情况亦有效。在此基础上得到的平衡降阶系统维数大大降低,非常有利于控制器的设计求解,大大提高了扩维方法在实际应用中的可行性。 3.海上采油平台有许多建造在寒冷的海区,存在严重的冰激振动问题。但迄今对此缺乏深入系统的研究工作,更没有有效的应对办法。这对国际学术界和工程界提出了严峻的挑战。大连理工大学工程力学系承担了国家863项目《新型平台抗冰振技术》。作为该项目的重要参与者之一,我结合本博士论文工作,成功地将隔振技术应用于海洋平台冰振控制中,建立了柔性结构端部隔振的力学模型,建立了平台甲板隔振控制的室内试验装置,并得到了实际应用;基于对固定破冰锥体动冰力与冰振响应分析,提出了在导管架平台上安装隔振锥体的创意,并通过反复试验,建立了隔振锥体的力学模型与合理的设计参数。实验结果表明,这些措施有望从根本上解决海洋平台的冰激振动问题。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB123

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