双层球面网壳结构的压电摩擦阻尼器减振控制研究

论文摘要

网壳结构是一种形式优雅、造型美观的大跨度结构,已在世界各地广为修建。在空间利用方面,网壳结构的特点逐渐趋向于更高、更大以及内部构造更完善。大跨空间结构通常较柔,阻尼比较低,在强烈地震和强风等动力载荷作用下会发生较大的振动,影响结构的正常使用及安全。因此,为了确保结构安全、提高结构性能,网壳减振控制正面临着新的挑战。而振动控制方法正受到广泛关注,它通过增加结构阻尼的方式实现减振控制,以使结构达到更高的性能。摩擦阻尼器作为一种性能良好的减振装置被广泛应用于工程实践中,为了提高其性能,半主动控制的概念被引入到阻尼器的设计中。其中,压电摩擦阻尼器就是结合了压电陶瓷驱动器和摩擦阻尼器各自的优点,能够实时控制阻尼替换杆件的控制力,实现半主动控制。借鉴以往摩擦阻尼器的制造经验,本文设计了一种压电摩擦阻尼杆式构件,并对该阻尼器的力学性能和影响参数进行了分析,确定了该杆式压电摩擦阻尼器的基本构造和力学模型。鉴于推导出的力学模型,本文进行了简化的修正的Bouc-wen模型参数影响分析,得到了每个参数分别对模型滞回曲线的影响特点,进而对压电摩擦阻尼杆件拟摩擦型与拟粘滞型恢复力进行模拟。然后,应用该修正的Bouc-wen模型对算例进行地震反应分析,得知用该力学模型模拟的阻尼器具有良好的减震效果。本文建立了四角锥型双层球面网壳结构模型,并对没有加阻尼杆件和设有阻尼杆件的球面网壳结构进行了自振分析,以了解两种结构的自振特性规律,进而用时程分析法对没有加阻尼杆件和设有阻尼杆件的球面网壳结构进行了三向地震作用下的响应分析,通过两者的对比,研究无控结构和有控结构自振特性变化及在地震作用下的动力响应。研究表明,阻尼器能显著地降低有控结构的各种响应,起到减振作用。为了较为系统地了解压电摩擦阻尼替换杆件的双层球面网壳的动力特性,本文进行了参数化分析。对于压电摩擦阻尼替换杆件的网壳结构,本文主要研究了阻尼杆件刚度、地震加速度峰值、地震作用、等效阻尼比和初始缺陷对结构响应的影响。研究结果表明：选取合适的阻尼杆件刚度,有利于发挥阻尼器的耗能性能；地震加速度峰值对网壳结构响应的控制效果影响不大；在地震荷载作用下,NOR波作用对结构最为不利；随着等效阻尼系数的增大,减振效果也随之提高；初始缺陷对结构的影响不容忽视。虽然智能阻尼替换杆式构件控制方法是一种有效的减震控制方法,但目前尚处于起步阶段,离广泛的实际应用还有很大的距离。以后的工作中,在本文简化参数影响分析基础上,应该对本文所设计阻尼器力学模型进行更加严谨的修正的Bouc-wen模型参数识别,并要扩大减振影响参数分析的范围,以获得更加精确的减振规律,进而对本文所设计的阻尼器进行试验研究,以对它的力学性能理论分析加以验证,为实际工程中的应用提供基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 网壳结构简介
• 1.3 压电摩擦阻尼器的研究现状
• 1.3.1 半主动摩擦阻尼器概况
• 1.3.2 压电摩擦阻尼器的发展
• 1.4 网壳结构减振研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 杆式压电摩擦阻尼器力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 阻尼器力学模型
• 2.2.1 基本构造
• 2.2.2 力学模型建立
• 2.3 阻尼器参数影响分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 压电摩擦阻尼器的Bouc-wen力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 恢复力滞回模型
• 3.2.1 Bingham粘塑性模型
• 3.2.2 Bingham弹塑性模型
• 3.2.3 Bouc-wen模型
• 3.2.4 Spencer模型
• 3.3 Bouc-wen模型的参数影响分析
• 3.4 Bouc-wen模型在减振分析中的应用
• 3.4.1 结构运动方程
• 3.4.2 算例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 压电摩擦阻尼替换杆件的网壳结构减振性能
• 4.1 引言
• 4.2 网壳结构的基本理论
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 空间杆单元法
• 4.2.3 阻尼杆件控制机理
• 4.2.4 强化准则
• 4.2.5 稳定性分析方法
• 4.3 有限元模型的建立
• ?单元模型的选择'>4.3.1 ANSYS^?单元模型的选择
• 4.3.2 有限元模型
• 4.3.3 初始缺陷的施加
• 4.3.4 时程分析法
• 4.4 结构的自振分析
• 4.5 压电摩擦阻尼器对网壳结构的减震性能分析
• 4.5.1 地震时程分析
• 4.5.2 地震动功率谱理论
• 4.6 本章小结
• 第5章 压电摩擦阻尼替换杆件的网壳减振参数影响
• 5.1 引言
• 5.2 参数影响分析
• 5.2.1 阻尼杆件刚度的影响
• 5.2.2 地震加速度峰值的影响
• 5.2.3 地震作用的影响
• 5.2.4 等效阻尼比的影响
• 5.2.5 初始缺陷的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录 初始缺陷坐标调整程序
• 致谢
• 作者简历