新型SMA阻尼器及结构减震控制应用研究

论文摘要

阻尼器性能的优劣,直接关系到土木工程结构减震控制效果的好坏。为了获得高性能的阻尼器,本文选用形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）智能材料为研究对象。首先对SMA材料力学性能进行了相关试验研究;然后,在材料试验的基础上,研发了一种刚度、阻尼参数可调的SMA阻尼器;最后,通过对安装SMA阻尼器的某框架结构模型和大跨桥梁进行了地震反应仿真分析,验证了其减震控制的有效性和可靠性。本文主要工作和研究成果如下:（1）通过对超弹性NiTi SMA丝的温控拉伸试验,研究了环境温度、加卸载频率、应变幅值、循环次数和预应变等工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力和变形模量等力学性能参数的影响规律。在此基础上,根据现有的几种本构模型,建立了SMA超弹性四折线简化本构模型。模拟结果表明,简化本构模型模拟结果与试验结果吻合较好。（2）在SMA简化本构模型的基础上,结合SMA加、卸载的特点,分析了预应变、最大伸长量、SMA刚度和长度等参数对SMA耗能系数的影响规律,为设计SMA阻尼器提供理论依据。（3）设计并制作了一种刚度和阻尼参数可调的SMA阻尼器,试验研究了加载频率、位移幅值对该阻尼器刚度、输出力、耗能等主要力学性能参数的影响规律。在此基础上,建立了SMA阻尼器力学计算模型,并给出其关键参数的求解公式。（4）设计了一双输入-单输出模糊控制器,采用模糊控制器确定SMA阻尼器的SMA丝工作根数。模糊控制器输入-输出结果表明,采用模糊控制器改变SMA阻尼器参数的方法可行且有效。（5）针对一框架结构模型,建立了基于SMA阻尼器的模糊控制仿真分析模型。控制结果分析表明,SMA阻尼器的模糊控制有效降低了结构位移、速度和加速度幅值,基于SMA阻尼器的模糊控制效果接近主动控制效果。因此,基于SMA阻尼器的模糊控制系统是一种可靠的智能控制系统。（6）数值分析了某七跨连续预应力混凝土刚构桥在安装SMA阻尼器和传统钢棒限位器两种情况下的地震反应,数值结果表明:两者输出控制力相同的情况下,SMA阻尼器对梁体相对位移和关键部位位移的控制效果明显优于传统钢棒限位器。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 SMA在土木工程中研究与应用的现状
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 SMA材料性能试验
• 2.1 引言
• 2.2 SMA基本特性
• 2.2.1 形状记忆效应
• 2.2.2 超弹性特性
• 2.2.3 弹性模量随温度变化特性
• 2.2.4 高阻尼特性
• 2.2.5 电阻特性
• 2.3 SMA超弹性性能试验
• 2.3.1 试验设备及SMA试件选择
• 2.3.2 试验方法及试验过程
• 2.4 试验结果与讨论
• 2.4.1 力学性能参数定义
• 2.4.2 循环次数对SMA力学性能的影响
• 2.4.3 应变幅值对SMA力学性能的影响
• 2.4.4 温度对SMA力学性能的影响
• 2.4.5 加载频率对SMA力学性能的影响
• 2.4.6 预应变对SMA力学性能的影响
• 2.5 本章结论
• 第三章 SMA本构模型及耗能分析
• 3.1 引言
• 3.2 SMA本构模型
• 3.2.1 Tanaka本构模型
• 3.2.2 Brinson本构模型
• 3.2.3 Graesser本构模型
• 3.3 SMA简化本构模型
• 3.3.1 简化本构模型描述
• 3.3.2 SMA本构模型主要参数确定
• 3.4 数值模拟
• 3.5 粘滞阻尼耗能理论
• 3.6 SMA耗能影响因素分析
• 3.6.1 SMA丝预变形对SMA耗能性能的影响
• 3.6.2 SMA丝伸长量对SMA耗能性的影响
• 3.6.3 SMA刚度k 和长度L 对SMA耗能性的影响
• 3.7 本章结论
• 第四章 SMA阻尼器设计及性能试验
• 4.1 引言
• 4.2 SMA阻尼器结构构造及工作原理
• 4.2.1 SMA阻尼器结构构造
• 4.2.2 SMA阻尼器工作原理
• 4.3 SMA阻尼器的设计与制造
• 4.3.1 框架模型及地震反应分析
• 4.3.2 SMA阻尼器的设计
• 4.3.3 SMA阻尼器制造与组装
• 4.4 SMA阻尼器力学性能试验
• 4.4.1 SMA阻尼器设计参数和试验设备
• 4.4.2 试验目的及试验过程
• 4.4.3 试验结果与分析
• 4.5 SMA阻尼器力学性能计算模型
• 4.5.1 力学性能计算模型及基本假定
• 4.5.2 简化本构方程参数计算
• 4.5.3 简化模型模拟结果与试验结果的比较分析
• 4.6 本章结论
• 第五章 应用SMA阻尼器的框架结构地震反应模糊控制
• 5.1 引言
• 5.2 结构振动模糊控制理论
• 5.2.1 模糊控制器基本结构
• 5.2.2 模糊控制系统的基本原理
• 5.3 安装SMA阻尼器的框架结构被动控制
• 5.3.1 SMA阻尼器力学计算模型
• 5.3.2 结构减震性能评价指标
• 5.3.3 受控结构的Simulink仿真
• 5.4 应用SMA阻尼器的框架结构地震反应模糊控制
• 5.4.1 SMA阻尼器模糊控制系统
• 5.4.2 模糊控制器设计
• 5.4.3 Simulink仿真分析
• 5.5 本章结论
• 第六章 基于SMA阻尼器的大跨桥梁的地震位移控制
• 6.1 引言
• 6.2 大跨桥梁计算模型及控制原理
• 6.2.1 大跨桥梁计算模型
• 6.2.2 桥梁位移控制原理
• 6.3 大跨桥梁的地震位移控制
• 6.3.1 SMA阻尼器及连接部位的有限元模拟
• 6.3.2 桥梁位移控制方案选择
• 6.3.3 控制算法
• 6.3.4 桥梁位移控制效果分析
• 6.4 本章结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 进一步研究的工作和展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢