空间网壳结构主动振动控制理论与数值模拟分析

论文摘要

随着科学技术的飞速发展和社会的巨大进步,空间网壳结构已在国内外得到了广泛应用。然而,空间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而影响建筑物的正常使用,甚至造成严重破坏。因此,研究空间网壳结构主动振动控制理论和工程应用技术具有重要的理论意义和工程应用价值。本文利用超磁致伸缩材料（Giant Magnetostritive Material-GMM）独特的物理力学性能,研发了1种新型GMM作动器,并采用模态控制和模糊控制两种主动控制方法,对一空间网壳结构进行了地震作用下的主动振动控制数值模拟分析,得出了一些可供参考的结论和建议。主要研究内容包括:（1）分析了GMM的变形机理和工作特性,并以其为核心元件,同时结合空间网壳结构主动振动控制的需求,研发了一种新型的GMM作动器,并通过对GMM作动器的磁力学性能试验,研究了作动器的输出性能,总结了作动器的输出规律,建立了便于工程应用的GMM作动器的电流驱动本构模型,并进行了相应的试验验证,结果表明文中研发的GMM作动器具有较好的适用性。（2）分析了空间网壳结构主动振动控制系统的组成及受控结构相关参数的设置方法,探讨了空间网壳结构模态控制系统的工作原理和流程,在对空间网壳结构模态分析的基础上,应用MATLAB软件,编制了相应的模态控制程序,并对一双层球面网壳结构算例进行了十阶模态的主动振动控制,通过对结构在未控和受控时的地震反应分析,验证了应用模态控制方法对空间网壳结构进行主动振动控制的有效性和可行性。（3）研究了模糊控制的基本原理和方法,探讨了模糊控制系统中各组成部分的功能和作用,应用MATLAB软件中的模糊逻辑控制工具箱,设计了相应的模糊控制器,并将其转换为便于应用的模糊控制查询表,同时应用SIMULINK工具箱,建立了未控时和模糊控制时的结构振动分析系统,以模拟空间网壳结构的地震反应过程,实现了空间网壳结构主动振动模糊控制的在线运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间网壳结构的研究现状
• 1.2.1 空间网壳结构的发展和工程应用现状
• 1.2.2 空间网壳结构主动振动控制研究现状
• 1.3 超磁致伸缩材料的研究与应用现状
• 1.4 模糊控制的研究与应用现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 GMM 作动器的设计与试验研究
• 2.1 GMM 的磁致伸缩机理及基本特性
• 2.1.1 GMM 的磁致伸缩机理
• 2.1.2 GMM 的基本特性
• 2.2 GMM 作动器的设计
• 2.2.1 GMM 作动器设计与构造
• 2.2.2 GMM 作动器磁路结构及驱动线圈的设计与分析
• 2.2.3 作动器预压力的设计与分析
• 2.3 GMM 作动器磁力学性能试验与分析
• 2.3.1 试验仪器及设备
• 2.3.2 预压应力对GMM 作动器输出力的影响
• 2.3.3 电流对GMM 作动器输出力的影响
• 2.3.4 驱动电流对GMM 作动器输出位移的影响
• 2.4 本章小结
• 3 空间网壳结构主动振动模态控制分析
• 3.1 双层球面网壳结构模型的建立
• 3.1.1 分析模型
• 3.1.2 结构相关参数的确定
• 3.2 GMM 作动器的位置优化
• 3.3 网壳结构振动模态控制系统
• 3.4 模态控制运动方程
• 3.5 模态控制算法数值分析及仿真结果
• 3.6 本章小结
• 4 空间网壳结构振动模糊控制分析
• 4.1 主动控制系统的组成及工作原理
• 4.2 网壳结构主动控制动力方程
• 4.2.1 主动控制动力方程
• 4.2.2 受控系统状态空间模型
• 4.3 模糊控制系统及控制器的设计
• 4.4 模糊控制规则的建立及推理
• 4.4.1 模糊化
• 4.4.2 模糊控制规则
• 4.4.3 模糊逻辑推理
• 4.4.4 反模糊化
• 4.5 数值模拟系统的建立及计算结果分析
• 4.5.1 设计模糊控制器
• 4.5.2 建立隶属度函数
• 4.5.3 建立模糊逻辑规则及查询表
• 4.5.4 反模糊化
• 4.5.5 建立数值模拟分析系统
• 4.5.6 计算结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要工作和结论
• 5.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录