柱面网壳结构主动振动控制时作动器的优化布置研究

论文摘要

柱面网壳结构在外界动力荷载作用下往往会产生较大幅度的振动,从而造成结构损伤或破坏。应用智能材料研发主动控制系统对结构进行振动控制,不仅可有效抑制结构的动力反应,减轻结构的损伤累积,提高结构的安全性能,而且与被动和半主动控制相比,具有更灵活、更高效、适应性更强等优点。本文基于超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material-GMM）独特的物理力学性能,并以其为核心元件,研发了能够适合于柱面网壳结构主动振动控制的GMM作动器,探讨了GMM作动器在柱面网壳结构中的优化布置方法,并进行了相应的验证分析。主要工作和研究内容如下:（1）研究了GMM的变形机理和磁控特性,探讨了应力、磁场、温度等因素对GMM材性的影响,并以GMM为核心元件,研发了1种新型高效的GMM作动器,同时通过对GMM作动器磁力学性能的试验,分析了不同预压应力下输出性能与驱动电流的关系,找到了保证最优输出性能的预压应力。结果表明,文中研发的GMM作动器能够满足柱面网壳结构主动振动控制的需要,具有较好的适用性。（2）针对柱面网壳结构受力与变形的主要特点,研究了柱面网壳结构主动振动控制系统的组成、工作原理及构造方法,以及与柱面网壳结构的集成方法,采用有限元建模方法,建立了柱面网壳结构主动振动控制的动力有限元方程,分析了动力方程中各个参数的组装方法,并基于现代控制理论,建立了柱面网壳结构的状态空间模型,为主动控制的理论分析提供了依据。（3）基于整体作动效率提高之目的,提出了不依赖于控制方法的GMM作动器优化布置准则,并且利用MATLAB软件,编写了优化目标函数程序,应用逐步消减法,根据不同位置上布置GMM作动器对目标函数的影响率,确定当作动器数量一定时,GMM作动器的最优布置方式和位置,同时应用MATLAB软件,编写了LQR主动控制算法程序,通过对柱面网壳结构的动力时程分析,验证了应用逐步消减法对GMM作动器进行优化布置的有效性和可行性。（4）基于具有概率搜索特性的遗传算法,对GMM作动器在柱面网壳结构中的优化布置进行了研究,应用MATLAB软件,编写了适应度函数程序并利用遗传算法工具箱进行了优化计算。结果表明,应用遗传算法优化作动器的位置,不仅比逐步消减法的更为精确,效率更高,而且还可实现结构的整体优化。（5）以遗传算法的优化结果为基础,应用LQR控制算法,对柱面网壳结构进行了主动振动控制时的动力时程分析,通过不同条件下控制效果和地震位移反应的对比,验证了应用遗传算法对GMM作动器进行优化布置时的可靠性和适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景与意义
• 1.3 振动控制的研究与应用现状
• 1.3.1 振动控制的发展和分类
• 1.3.2 网壳结构振动控制现状
• 1.4 作动器的研究与应用
• 1.5 作动器优化配置研究
• 1.5.1 优化配置准则
• 1.5.2 作动器优化配置的方法
• 1.6 本文主要研究内容
• 2 GMM 材性及GMM 作动器试验研究
• 2.1 GMM 的变形机理及工作特性
• 2.1.1 超磁致伸缩材料的伸缩机理
• 2.1.2 影响GMM 工作性能的因素
• 2.2 GMM 作动器设计
• 2.2.1 GMM 作动器的设计原理及构造
• 2.2.2 驱动结构设计
• 2.2.3 磁路结构设计
• 2.2.4 预压力结构设计
• 2.2.5 GMM 作动器工作温度控制
• 2.3 GMM 作动器的性能输出试验
• 2.3.1 试验方案及所需试验仪器
• 2.3.2 GMM 作动器输出性能测试
• 2.4 本章小结
• 3 柱面网壳结构分析模型及主动控制系统研究
• 3.1 柱面网壳结构分析模型建立
• 3.2 结构主动控制动力方程
• 3.2.1 单元杆件有限元建模
• 3.2.2 作动器位置矩阵D 的形成
• 3.2.3 刚度、质量、阻尼矩阵的形成
• 3.2.4 GMM 作动器数量的确定
• 3.3 主动控制系统的的组成及原理
• 3.3.1 主动控制系统的组成
• 3.3.2 控制系统的控制原理
• 3.4 受控系统的状态空间模型
• 3.4.1 基本概念
• 3.4.2 受控系统状态空间描述
• 3.5 线性二次型（LQR）经典最优控制
• 3.6 本章小结
• 4 采用逐步消减法进行GMM 作动器优化配置的研究
• 4.1 作动器位置优化的性能指标和优化算法
• 4.1.1 柱面网壳独立模态空间模型
• 4.1.2 优化准则
• 4.2 采用逐步消减法优化作动器的位置
• 4.2.1 逐步消减法的优化步骤
• 4.2.2 双层网壳结构各层作动器位置比较
• 4.2.3 双层网壳结构腹杆层作动器位置优化
• 4.3 应用LQR 最优控制算法对结构进行主动控制分析
• 4.3.1 地震波选取
• 4.3.2 主动控制数值模拟分析
• 4.4 本章小结
• 5 采用遗传算法优化作动器布置位置研究
• 5.1 遗传算法概念
• 5.1.1 遗传算法概念
• 5.1.2 遗传算法与传统算法的比较
• 5.2 应用遗传算法进行作动器优化配置计算
• 5.2.1 优化步骤
• 5.2.2 优化计算
• 5.3 主动控制数值模拟分析
• 5.3.1 主动控制效果分析
• 5.3.2 结构安全性分析
• 5.3.3 优化与随机布置对比分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要工作与结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录硕士研究生学习阶段发表论文