空间网格结构地震响应主动控制理论与试验研究

论文摘要

空间网格结构以其新颖的结构形式、优雅的建筑造型和强大的跨越能力等优点,已被广泛地应用于公共建筑和工业建筑等领域。特别是近年来,随着我国一些重大社会经济活动的开展,建设了一批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆、机场航站楼等社会公共建筑,这些建筑在提供强大功能的同时,往往作为重大工程也是一个城市或国家的标志性建筑,故保证其在地震、台风等动力荷载作用下的安全性就尤为重要。但随着此类结构跨度增大、高度增加以及结构形式的日益复杂,按照传统方法设计的工程结构在强地震/强风等作用下,往往会产生较大的动力响应,造成破坏或倒塌。近年来发展迅速的振动控制技术为保障这类结构的安全可靠提供了一个新途径。本文主要针对地震作用下空间网格结构的受力和变形特点,利用超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material-GMM）特殊的物理力学性能,研发GMM主动控制系统,提出相应的控制理论和工程应用技术。主要工作和研究内容包括:（1）在充分研究GMM的变形机理及磁控特性的基础上,以其为核心元件并结合空间网格结构地震响应主动控制的需求,研发了2种新型作动器,并从磁场、磁路、预压力装置、温控装置等方面系统地分析了作动器的工作原理和构造方法,重点进行了磁路的优化与分析,探讨了相应的的磁力学性能,建立了作动器的电磁有限元分析与设计模型。（2）采用HT-2402多功能伺服控制试验机,对文中研发的GMM作动器进行了磁-力耦合性能试验,分析了不同预压力下输出性能与驱动电流的关系,找出了保证输出性能最优时的预压应力,探讨了GMM作动器的输出力-输出位移之间的规律,同时根据试验结果,建立了GMM作动器的电流驱动模型,具有较好的适用性。（3）分析了GMM的磁致伸缩逆效应机理,探讨了GMM作动器的自传感特性并对其进行了相应的试验研究,总结了各种参数对其应力传感性能的影响规律,验证了应用GMM作动器的自传感特性进行空间网格结构杆件应力传感的可行性,并分析了其作为自传感作动器进行结构抗震监测控制的基本原理和实现方法。（4）对空间网格结构主动控制系统的组成及控制理论进行了全面分析,基于现代控制理论,建立了结构的状态空间模型,并对受控结构主动控制的有限元建模方法进行了深入研究,推导了空间网格结构中普通杆件、GMM作动器、GMM主动杆件的动力限元学模型,提出了GMM主动杆件的控制力位置矩阵的集成方法。（5）分析了GMM主动杆件在空间网格结构中的优化配置方法,研究了评价空间网格结构中GMM主动杆件布置位置优化的性能指标,并设计了适应度函数;提出了基于遗传算法的优化策略实现方法,利用MATLAB软件编写了适应度函数程序并应用GADS工具箱进行了优化计算,不仅提高了优化设计的计算效率,而且可保证结构的整体优化;编写了LQR控制算法程序并对空间网格结构进行了地震响应主动控制的动力时程计算,通过分析多种工况下的动力时程计算结果,验证了应用遗传算法对GMM主动杆件进行优化配置的有效性和可行性。（6）分析了模糊控制系统及模糊控制器设计的基本理论,应用MATLAB软件中的模糊逻辑控制工具箱,设计了一种双输入单输出的二维模糊控制器,从位移和速度的相互关系中寻找控制策略,从而得到模糊控制力以控制结构的地震响应;针对空间网格结构地震响应的模糊控制,根据文中设计的模糊控制器,应用MATLAB软件中的SIMU LINK工具箱,建立了无控时和模糊控制时的结构地震响应分析系统,以模拟空间网格结构的地震响应过程;详细介绍了整个系统的运行原理以及系统中各个模块的功能与作用,实现了空间网格结构地震响应模糊控制系统的在线运行。（7）通过合理设计的主动控制策略,简化了控制方法,可实现对结构的在线实时主动控制;设计制作了一个凯威特型单层网壳的模型结构,进行了设置GMM主动杆件和未设GMM主动杆件的模拟地震振动台试验,试验工况共10余种。结果表明,文中提出的主动控制方法以及相应的主动控制系统能够很好地控制模型结构的地震响应,一般地控制效果可达25%以上,说明文中研制的GMM主动控制系统以及提出的主动控制方法是有效的,为主动控制技术在空间网格结构地震响应控制中的应用提供了理论和试验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构振动控制理论研究与应用概述
• 1.3 智能材料及其作动器/传感器的研究与应用
• 1.3.1 形状记忆合金的研究与应用
• 1.3.2 压电材料的研究与应用
• 1.3.3 超磁致伸缩材料的研究与应用
• 1.4 作动器在结构振动主动控制中的优化配置研究
• 1.4.1 优化配置准则
• 1.4.2 优化配置算法
• 1.5 结构振动控制中智能控制算法概述
• 1.5.1 模糊控制算法
• 1.5.2 神经网络辨识与控制
• 1.5.3 智能算法集成
• 1.6 空间网格结构减震控制的研究与应用
• 1.6.1 空间网格结构的支座隔震研究
• 1.6.2 空间网格结构的被动减震控制研究
• 1.6.3 空间网格结构的半主动减震控制研究
• 1.6.4 空间网格结构的主动及智能减震控制研究
• 1.7 本文的主要工作
• 参考文献
• 2 GMM 材性及作动器试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 GMM 的变形机理及工作特性
• 2.2.1 GMM 的变形机理
• 2.2.2 GMM 的工作特性
• 2.2.3 GMM 的磁机耦合特性
• 2.3 GMM 作动器的设计原理与方法
• 2.3.1 GMM 作动器的设计原理
• 2.3.2 GMM 作动器构造设计
• 2.3.3 GMM 元件的选用
• 2.3.4 线圈的参数设计
• 2.3.5 磁路结构设计与分析
• 2.3.6 预压力装置设计
• 2.3.7 GMM 作动器温度控制与分析
• 2.3.8 GMM 作动器
• 2.4 GMM 作动器磁力学性能试验研究
• 2.4.1 试验目的
• 2.4.2 试验设备和仪器
• 2.4.3 GMM 作动器输出力性能试验研究
• 2.4.4 GMM 作动器输出位移性能试验研究
• 2.4.5 GMM 作动器本构关系试验研究
• 2.4.6 GMM 作动器磁路试验研究
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 3 GMM 作动器自传感性能试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 GMM 作动器的自传感机理
• 3.3 GMM 作动器自传感性能试验研究
• 3.3.1 试验系统及原理
• 3.3.2 试验方案
• 3.3.3 试验结果与分析
• 3.4 自传感GMM 作动器
• 3.4.1 自传感作动器的起源与应用
• 3.4.2 自传感GMM 作动器的实现原理与方法
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 4 空间网格结构主动控制系统及模型建立
• 4.1 引言
• 4.2 结构主动控制系统及工作原理
• 4.3 受控系统的状态空间模型
• 4.3.1 状态空间的基本概念
• 4.3.2 状态空间模型建立
• 4.3.3 控制系统的能控性和能观性
• 4.4 空间网格结构的动力有限元建模
• 4.4.1 普通杆件的有限元建模
• 4.4.2 GMM 作动器有限元建模
• 4.4.3 GMM 主动杆件有限元建模
• 4.4.4 GMM 主动杆件控制力位置矩阵的建立
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 空间网格结构中GMM 主动杆件的优化配置研究
• 5.1 引言
• 5.2 GMM 主动杆件的配置数量优化
• 5.3 GMM 主动杆件的布置位置优化
• 5.4 基于遗传算法的优化策略实现
• 5.4.1 遗传算法的基本概念
• 5.4.2 遗传算法的实现过程
• 5.4.3 GMM 主动杆件在空间网格结构中的优化配置算例
• 5.5 基于LQR 控制算法的优化控制效果数值模拟分析
• 5.5.1 线性二次型（LQR）经典最优控制理论
• 5.5.2 LQR 控制算法的MATLAB 实现
• 5.5.3 GMM 主动杆件配置数量的确定
• 5.5.4 GMM 主动杆件布置位置优化结果有效性分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 空间网格结构地震响应模糊控制分析
• 6.1 引言
• 6.2 模糊控制系统的基本理论
• 6.3 模糊控制器的设计方法
• 6.3.1 输入变量和输出变量的选择
• 6.3.2 论域、量化因子和比例因子的确定
• 6.3.3 模糊化处理
• 6.3.4 建立模糊控制规则
• 6.3.5 模糊推理
• 6.3.6 清晰化处理
• 6.4 基于MATLAB 的空间网格结构模糊控制数值模拟系统
• 6.4.1 模糊控制器设计
• 6.4.2 模糊控制数值模拟分析系统的建立
• 6.5 空间网格结构模糊控制分析算例
• 6.5.1 计算模型
• 6.5.2 计算结果与分析
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 7 空间网格结构地震响应主动控制试验
• 7.1 引言
• 7.2 模型制作与试验原理
• 7.2.1 试验模型
• 7.2.2 试验原理与流程
• 7.3 GMM 主动杆件优化布置及控制策略
• 7.4 试验设备及试验方案
• 7.4.1 试验设备
• 7.4.2 试验方案
• 7.5 试验结果分析
• 7.5.1 输入400gal 正弦波试验结果
• 7.5.2 输入600gal EL-Centro 波试验结果
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 8 结论与展望
• 8.1 主要工作和结论
• 8.2 相关工作展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文情况
• 攻读博士学位期间参与科研情况
• 专利申请情况