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MR阻尼器的研究及其在升船机地震鞭梢效应上的应用

涂建维  
【摘要】: 从过去三十年到现在,许多研究者都在探索运用结构保护系统来减小外部动力荷载给土木工程结构所造成的危害,比如地震和台风。这些系统通常是增加阻尼装置来增强结构的能量耗散能力。一种最有前途的新装置是磁流变(MR)阻尼器,它具有机械构造简单、动力范围宽广、能量需求低和输出力大的特点,这类装置已经被证明能很好的运用于土木工程结构来抵抗强震和强风。本文对MR阻尼器的智能控制方法进行了系统的研究,并提出了三个方面的改进,即阻尼器装置、磁滞效应解决方法和智能控制方法。 本文在MR阻尼器的准静态力学模型基础上,设计制作了新型MR阻尼器,该阻尼器具有适用范围广,性能稳定的特点。讨论了几何尺寸对阻尼器性能和阻尼器的两个重要指标:阻尼力大小和动力可调范围的影响。在不同电流输入,不同振幅输入和不同频率输入下对自制阻尼器进行了性能测试。并且,提出采用内置弹簧蓄能器的方法,解决了由于蓄能器补偿不足而造成的阻尼力滞后现象。 本文对MR阻尼器的固有属性磁滞效应对控制效果的影响进行了系统的研究。分析表明,磁滞效应会给控制带来不利影响,并且随着磁滞时间的增加而趋于严重。本文提出采用神经网络预测的方法来减小磁滞效应对振动控制效果的不利影响,得出了一些有价值的结论。研究表明,通过神经网络预测能有效补偿磁滞时间,使控制效果能接近无磁滞效应的控制效果。 本文提出了考虑磁滞效应的修正Bingham仿真模型。通过该模型得到样本数据,建立了能够模拟MR阻尼器逆向工作特性的逆模式神经网络模型。文中将该模型分别与两种控制方法(LQR控制方法和模糊控制方法)连接,形成了MR阻尼器的智能控制。研究表明,智能控制能够给MR阻尼器输入连续的控制电流,从而实现了MR阻尼器的连续可调。仿真分析表明,智能控制效果优于半主动控制效果,控制力能够很好的跟踪主动控制力。 本论文还研究了MR阻尼器技术在水工结构三峡升船机上的应用。基于三峡升船机的三维有限元模型,本文建立了二维串联多自由度动力模型,利用二维模型进行了结构的动力特性分析。分析表明,升船机塔柱的抗侧刚度比顶部厂房柱的抗侧刚度大很多,引起了升船机顶部厂房强烈的地震鞭梢效应,使得升船机顶部厂房地震反应的控制成为升船机抗震设计中的关键问题之一。本文提出了屋盖MR智能隔震系统来解 决顶部厂房的鞭梢效应问题,采用模糊半主动控制方法和模糊智能控制方法对该系统 实施智能控制。仿真分析表明,屋盖MR智能隔震系统是一种有效实用的智能控制系 统,模糊智能控制方法和模糊半主动控制方法能有效控制MR阻尼器,达到理想的控 制效果。相比而言,模糊智能控制实现了MR阻尼器的控制电流连续可调,控制效果 更好。 本论文首次完成了安装屋盖MR智能隔震系统装置的升船机结构模型的振动台 试验。试验结果表明:被动隔震装置能很好的解决三峡升船机结构模型的地震鞭梢效 应问题,但是隔震层的层间侧移太大,安全性要求得不到保证。屋盖MR智能隔震系 统装置的性能明显优于被动隔震装置,是一种安全实用的隔震装置。模糊智能控制方 法能有效控制MR智能隔震系统,其控制效果明显比Passive一。ff控制和被动隔震的效 果好。通过仿真分析与试验结果的比较,也证实了本文提出的仿真算法和模糊智能控 制方法的正确性。


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