形状记忆合金阻尼器—斜拉索减振控制的试验与分析研究

论文题目: 形状记忆合金阻尼器—斜拉索减振控制的试验与分析研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 防灾减灾工程及防护工程

作者: 左晓宝

导师: 李爱群

关键词: 形状记忆合金,超弹性,阻尼器,斜拉索,力学性能,非线性,振动方程,振动控制

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 斜拉索是斜拉桥等索支撑结构中重要的受力构件,随着斜拉桥跨度的逐渐增加,拉索也越来越长,轻而长的拉索的振动控制问题也日益突出。根据拉索的振动特性,寻找适合于拉索振动控制的方法和减振控制材料及装置是解决拉索振动控制的关键问题。本文以这一问题为研究背景,从形状记忆合金(SMA)材料的力学性能分析、SMA阻尼器的研制和SMA阻尼器—斜拉索系统振动与控制分析三个方面系统地开展了SMA阻尼器—斜拉索系统减振控制的理论分析与试验研究工作。本文的主要工作和成果如下:1、进行了等原子NiTi SMA丝处于超弹性状态下的力学性能试验,研究了环境温度、加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对SMA的相变应力、耗能能力、变形模量及残余应变等力学性能参数的影响规律,给出了各力学性能参数与相应的加载工况之间的关系。在此基础上,根据已有的几种SMA热力学本构模型,并结合SMA的应力诱发马氏体相变变化规律,建立了SMA的分段线性超弹性本构模型,该模型考虑了温度、应力及内变量(马氏体相变体积分数)等参数对SMA力学性能的影响,并简化了反映马氏体相变变化规律的相变方程。运用该模型模拟了超弹性SMA的拉伸行为,其结果与试验结果较为吻合。2、设计并制作了一种新型超弹性SMA阻尼器,通过试验研究了加载频率、位移幅值对该阻尼器的输出力、刚度和耗能等力学性能参数的影响;在试验研究和受力分析的基础上,建立了该阻尼器的力学计算模型,并就模型中的关键参数(阻尼器内滑条槽深与接触面摩擦系数、SMA丝的预应变及缠绕量、环境温度及位移幅值等)对阻尼器力学性能的影响规律进行了数值分析。试验和分析的结果表明,该阻尼器是一种位移相关性的变刚度复合摩擦阻尼器,具有输出控制力大、耗能能力强和刚度可变等特性。3、根据Hamilton原理,结合Galerkin法,建立了SMA阻尼器—拉索系统的非线性振动方程。以润扬大桥斜拉桥的J13索为例,通过数值仿真分析,探讨了斜拉索的三维非线性耦合振动特性,分析了SMA阻尼器及其参数(凹槽深度、接触面摩擦系数、SMA丝的绕制量、环境温度和安装位置等)对拉索减振效果的影响。分析结果表明,非线性耦合作用能激发或加剧拉索的三维振动反应,其程度取决于Irvine参数的大小,当Irvine参数很小时,非线性耦合作用的影响较小,可以忽略;安装SMA阻尼器后,拉索的振动受到明显的抑制作用,其中,SMA丝材的缠绕量和内、外滑条之间的摩擦系数是影响SMA阻尼器减振效果的主要参数。4、建立了基于LQR算法的SMA阻尼器—斜拉索系统振动的最优被动控制设计理论和方法,以合理地确定SMA阻尼器的有关参数,给出了SMA阻尼器参数优化设计的原理和步骤,并以J13索的振动控制为例,进行了SMA阻尼器的参数设计和相应的控制效果分析。5、以润扬大桥斜拉桥的缩尺模型为试验平台,进行了SMA阻尼器—斜拉索—桥面系统的减振试验,研究了SMA阻尼器对J13模型索在自由振动和桥面振动激励下的减振效果的影响,并探讨了桥面振动而导致的模型索与桥面之间所出现的耦合振动现象,最后,就拉索自由振动的试验结果与理论分析结果进行了对比,以验证上述理论分析的合理性。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 拉索振动控制的研究现状

1.2.1 斜拉索振动机理简介

1.2.1.1 参数振动

1.2.1.2 风致振动

1.2.2 斜拉索振动控制研究现状

1.2.2.1 被动控制

1.2.2.2 主动及半主动控制

1.3 形状记忆合金智能减振结构研究现状

1.3.1 形状记忆合金及其特性

1.3.1.1 形状记忆效应

1.3.1.2 超弹性特性

1.3.1.3 高阻尼特性

1.3.1.4 高回复力特性

1.3.1.5 电阻特性

1.3.2 形状记忆合金智能结构振动控制研究现状

1.3.2.1 被动控制

1.3.2.2 主动控制

1.4 本文研究的主要内容

参考文献

第二章超弹性形状记忆合金丝（NiTi）力学性能的试验研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.2.1 试验样品的选择

2.2.2 试验方法

2.3 试验结果与讨论

2.3.1 试验典型曲线上的有关参数规定

2.3.2 温度对 SMA 力学性能的影响

2.3.3 加载速率对 SMA 力学性能的影响

2.3.4 应变幅值对SMA 力学性能的影响

2.3.5 循环次数对SMA 力学性能的影响

2.4 本章结论

参考文献

第三章形状记忆合金的超弹性本构模型及其简化

3.1 引言

3.2 形状记忆合金的超弹性特性分析

3.3 现有的几种本构模型

3.3.1 Tanaka 模型

3.3.1.1 本构方程

3.3.1.2 相变方程

3.3.2 Liang and Rogers 模型

3.3.2.1 本构方程

3.3.2.2 相变方程

3.3.3 Brinson 模型

3.3.3.1 本构方程

3.3.3.2 相变方程

3.4 本构模型的简化

3.4.1 基本假定

3.4.2 相变应力及相应临界应变的确定

3.4.3 简化本构模型的建立

3.4.3.1 本构方程

3.4.3.2 相变方程

3.4.3.3 本构模型的分段线性表示

3.5 数值模拟

3.5.1 模拟 NiTi 丝材的拉伸试验

3.5.2 应用于SMA 阻尼器

3.6 本章结论

参考文献

第四章超弹性 SMA 阻尼器的设计、制造与试验

4.1 引言

4.2 超弹性SMA阻尼器结构构造及原理

4.2.1 结构构造

4.2.2 工作原理

4.3 超弹性 SMA 阻尼器的设计与制造

4.3.1 设计

4.3.1.1 外筒设计

4.3.1.2 前、后盖设计

4.3.1.3 内、外滑条设计

4.3.1.4 导杆设计

4.3.1.5 SMA 材料的选取原则

4.3.2 制造与安装

4.4 超弹性SMA阻尼器的力学性能试验

4.4.1 超弹性SMA 丝材的选择

4.4.2 阻尼器的设计参数

4.4.3 试验目的

4.4.4 试验方法

4.4.4.1 加载方法

4.4.4.2 试验步骤

4.4.5 试验结果与分析

4.4.5.1 主要试验结果

4.4.5.2 试验结果分析

4.4.5.2.1 加载频率对阻尼器性能的影响

4.4.5.2.2 位移幅值对阻尼器性能的影响

4.5 本章结论

参考文献

第五章超弹性 SMA 阻尼器的计算模型及参数分析

5.1 引言

5.2 基本假设

5.3 超弹性SMA阻尼器的计算模型

5.3.1 SMA 的应变与阻尼器位移之间的关系

5.3.2 SMA 阻尼器力—位移之间的关系

5.4 参数分析

5.4.1 槽深的影响

5.4.2 SMA 丝的绕制量的影响

5.4.3 接触面摩擦系数的影响

5.4.4 环境温度的影响

5.4.5 位移幅值的影响

5.4.6 预应变的影响

5.5 模型结果与试验结果的对比

5.6 本章结论

参考文献

第六章 SMA 阻尼器—斜拉索系统的振动方程及斜拉索三维非线性振动分析

6.1 拉索动力分析回顾

6.2 斜拉索的运动微分方程

6.2.1 基本假定

6.2.2 坐标系及其初始构形

6.2.3 拉索的动能和弹性势能

6.2.4 拉索在外力作用下的虚功

6.2.5 SMA 阻尼器—斜拉索体系的振动方程

6.3 运动微分方程的求解

6.3.1 形函数及静态曲线的选取

6.3.2 方程求解及程序框图

6.4 斜拉索振动特性的数值分析

6.4.1 斜拉索三维振动的非线性特性

6.4.1.1 面外自由振动

6.4.1.1.1 单模态下（N=1）的振动反应

6.4.1.1.2 多模态下（N=3）的振动反应

6.4.1.2 面内自由振动

6.4.2 不同荷载激励下的非线性项对斜拉索振动反应的影响

6.4.2.1 自由振动

6.4.2.2 简谐激励

6.4.2.3 白噪声激励

6.4.3 安装SMA 阻尼器对斜拉索自振频率的影响

6.5 本章小结

参考文献

第七章 SMA 阻尼器—斜拉索系统减振效果及优化设计

7.1 引言

7.2 几个约定

7.3 SMA 阻尼器—斜拉索振动的被动控制效果

7.3.1 SMA 阻尼器对斜拉索减振效果的影响

7.3.1.1 自由振动

7.3.1.2 简谐激励

7.3.1.3 白噪声激励

7.3.2 SMA 阻尼器参数对斜拉索减振效果的影响

7.3.2.1 自由振动

7.3.2.2 简谐激励

7.4 SMA 阻尼器—斜拉索振动系统的最优控制设计

7.4.1 状态方程

7.4.2 目标函数

7.4.3 权函数 Q、R 的确定

7.4.4 SMA 阻尼器的参数优化设计

7.4.4.1 设计原理

7.4.4.2 设计步骤

7.4.4.3 设计实例

7.4.5 SMA 阻尼器的最优被动控制与主动控制及减振效果对比

7.5 本章小结

参考文献

第八章 SMA 阻尼器—斜拉索—桥面系统振动与控制的试验研究

8.1 引言

8.2 试验准备

8.2.1 润扬大桥斜拉桥及 J13 索简介

8.2.2 试验模型

8.2.3 试验方法

8.2.4 数据采集

8.3 试验结果及分析

8.3.1 拉索动力特性的测试

8.3.2 拉索振动及控制效果分析

8.3.2.1 拉索的自由振动

8.3.2.2 桥面参数振动引起拉索的振动

8.3.2.2.1 桥面自由振动

8.3.2.2.2 桥面受激振动

8.3.3 试验结果与理论结果对比

8.4 本章结论

参考文献

第九章全文总结与展望

9.1 全文工作总结

9.2 进一步研究的工作和展望

附录 A 不同环境温度和加载条件下的SMA 丝材循环拉伸曲线

附录 B SMA 阻尼器—斜拉索系统振动方程中的刚度矩阵元素积分表达式

附录 C 拉索试验模型设计相似准数的确定

作者在攻读博士学位期间撰写与发表的论文

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

[1].大跨度斜拉桥拉索的非线性振动及智能半主动控制研究[D]. 肖志荣.浙江大学2008
[2].斜拉索风雨激振试验与数值模拟研究[D]. 李薇.长安大学2012
[3].斜拉索风雨激振数值模拟与机理研究[D]. 王剑.天津大学2013
[4].斜拉索振动控制理论与试验研究[D]. 周海俊.同济大学2005
[5].斜拉索风雨激振的数值模拟及基于滑移理论的机理研究[D]. 逯鹏.天津大学2014
[6].基于风雨两相流的斜拉索风雨激振的机理研究[D]. 任洪鹏.天津大学2012
[7].拉索风雨激振理论模型研究及其振动特性分析[D]. 李暾.湖南大学2013
[8].在役拉索金属截面积测量方法[D]. 袁建明.华中科技大学2012
[9].斜拉索风雨激振数值模拟研究[D]. 程鹏.哈尔滨工业大学2016
[10].基于多种阻尼器的斜拉索减振理论研究[D]. 瞿越兴（CU VIET HUNG）.北京交通大学2017

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