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空间结构智能稳定控制的基本理论与试验研究

田鹏刚  
【摘要】: 空间钢结构是目前应用最广泛的工程结构形式之一。由于钢材具有轻质高强的特性,截面比较开展纤细,所以常常造成结构发生失稳破坏,并且这种破坏一旦发生,结构将随之坍塌,导致灾难性后果。因此,研究空间钢结构的静/动力稳定问题具有重要的理论意义和实用价值。 目前,避免或防止结构失稳的主要方法是增大杆件的截面面积或控制杆件的长细比等,是一种被动的设防方法。为此,本文基于结构控制的思想,提出了应用压电主元杆件进行空间钢结构智能稳定监测与控制的方法,进行了相应的理论和试验研究,主要工作包括: (1)根据压电材料的电力学特性,提出了一种适用于空间钢结构稳定监测与控制的压电主元杆件的构造方法,其主要原理是在普通杆件的适当部位集成压电堆以形成压电主元杆件,并将其集成在结构的关键部位,从而满足承载、监测和驱动的功能要求。 (2)以本文提出的压电主元杆件为计算模型,研究了压电主元杆件的静力稳定控制性能,探讨了不同长度比、刚度比以及驱动力等因素对其控制性能的影响,同时还研究了压电主元杆件的动力稳定控制性能,分别考虑了突加荷载、简谐荷载以及地震作用等对其控制性能的影响,提出了相应的静/动力稳定控制理论分析模型。 (3)采用自编的Matlab程序,以简谐荷载为例,研究了压电主元杆件考虑机电耦合作用和不考虑机电耦合作用时的动力稳定控制性能,并通过对其前三个主要动力失稳区域的跟踪,探讨了压电堆长度、压电堆夹持力以及外部激励特性等对其动力稳定控制性能的影响,得出了压电主元杆件动力稳定控制性能的一般规律。 (4)进行了122根两种不同材料、17种长细比、2种类别的空间结构杆件稳定性能试验,同时进行了相应的理论分析,建立了根据结构构件显式响应进行失稳判别的双参数准则,得到了相应的简化计算公式。此外,还研究了压电主元杆件中压电堆的最优长度和最优位置等,设计、制作了2根试验用压电主元杆件,并进行了相应的稳定控制试验,检验了其静/动力稳定控制效果。 (5)根据压电材料的机电耦合效应以及本文提出的失稳判别准则与稳定控制方程等,编写了能够进行波形发生、数据采集、阈值判别和驱动等多功能的Visual Basic程序,并且自主设计开发了能够适用于空间钢结构失稳监测和稳定控制的专用智能控制器,实现了结构状态数据采集与控制的同步进行。 (6)根据优化控制理论,研究了空间结构设置压电主元杆件的优化分析理论模型,提出了相应的实用优化设计方法,即最大相对位移法,讨论了最大贡献率的计算方法和步骤以及压电主元杆件的最优设置位置等,并以此为依据设计、制作了2个含压电主元杆件的空间结构模型。 (7)考虑压电主元杆件的机电耦合作用和非机电耦合作用,进行了2个空间结构模型无控和有控时的振动台试验,分别输入El-centro地震波和简谐波等,其中地震波激励时的峰值加速度为200gal-1200gal,简谐波激励时的驱动电压放大倍数分别为1倍、10倍、20倍和30倍等,以探讨压电主元杆件的稳定监测/控制规律和效果。 (8)以非线性有限元方法为基础,考虑压电主元杆件的机电耦合作用和非机电耦合作用两种情况,分别对空间钢结构试验模型进行了X方向和Y方向,以及X-Y-Z三向同时激励时的动力时程分析,其结果与振动台试验结果吻合较好。 (9)根据模型结构的动力时程分析结果,基于B-R准则和本文提出的双参数准则,分别进行了模型结构的动力失稳判别,得出了模型结构有控和无控时的动力失稳临界峰值加速度,计算结果精度较高,说明文中的双参数显式失稳准则判别结果可靠,可供工程应用时参考。


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