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磁流变式调谐液柱阻尼器的建模及对桥梁振动控制的研究

作　者: 宋璨
导　师: 陈政清；王修勇
学　校: 湖南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 桥梁振动磁流变阻尼器磁流变式调谐液柱阻尼器建模被动控制半主动控制仿真研究
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着大跨度桥梁的普遍兴建和高效能建桥材料的广泛应用,桥梁结构的振动问题(地震、风振、车-桥振动)日趋突出。作为交通枢纽及生命线工程的桥梁结构,振动问题不仅关系到其正常安全运营,而且关系到震后救援工作能否顺利开展。结构振动控制作为一种积极主动的对策,依靠控制系统与结构物的联合工作来抵御外部的动力输入,从而有效地减小结构的动力响应。因此,近年来桥梁结构的振动控制倍受学术界、工程界的广泛关注,并获得了长足的进展。目前常见的控制装置有调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、调谐液体柱阻尼器(TLCD)和磁流变阻尼器(MRD)等。磁流变式调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)是结合磁流变液智能化和可控性以及调谐液柱阻尼器构造简单又比较经济的特点,形成的一种新型阻尼器。它具有广阔的应用前景,需要广泛深入地探索和研究。本文以正在建设中的湖南矮寨大桥为工程背景,结合国家自然科学基金项目“磁流变式调谐液柱阻尼器振动控制理论与试验研究”,开展了下述工作:(1)介绍了桥梁结构振动的危害及结构振动控制的发展动态,对常见控制装置的研究现状和工程应用情况进行了综述。(2)系统地阐述了工程界对磁流变阻尼器的建模情况,开展了磁流变阻尼器的力学性能试验。在实测结果基础上,以RD-1005型磁流变阻尼器为例,采用量子微粒群优化算法,提出了一种改进的非线性滞回模型;以RD-1097型磁流变阻尼器为例,建立了BP神经网络模型。这些模型能够较好地模拟磁流变阻尼器的动态特性,有利于磁流变阻尼器的仿真及控制中的应用。(3)描述了MR-TLCD的基本构造,探讨了MR-TLCD的减振机理,分别提出了抑制桥板水平振动和扭转振动的MR-TLCD模型,建立了MR-TLCD与桥梁结构相互作用的运动方程,分析了简谐激励作用下MR-TLCD的减振性能。(4)将非线性阻尼等效线性化,利用虚拟激励法实现了桥梁—MR-TLCD系统的频域分析。分别研究了地震和脉动风荷载作用下,MR-TLCD的参数变化对减振效果的影响,优化了MR-TLCD的被动控制。(5)应用谐波叠加法对自然风进行了数值模拟,得到了脉动风荷载时程。对桥梁—MR-TLCD系统的半主动控制问题开展了研究,基于离复位控制(OTE)策略,分析了MR-TLCD的风振控制效果。数值计算确认了MR-TLCD的有效性和半主动控制的优越性,同时也验证了OTE策略的合理性。(6)运用ANSYS软件建立了湖南矮寨大桥的有限元模型,根据Davenport抖振力模型合成了升力矩时程,对安装MR-TLCD的桥梁进行了扭转振动的仿真分析,结果表明MR-TLCD具有良好的可调性和工程适用性,能提高矮寨大桥的抗风性能。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 桥梁结构振动的危害  12-14
    1.1.1 桥梁结构地震震害  12-13
    1.1.2 桥梁结构风振振害  13-14
    1.1.3 车-桥耦合振动  14
  1.2 结构振动控制的发展  14-21
    1.2.1 调谐质量阻尼器的研究综述  15-16
    1.2.2 调谐液体阻尼器的研究综述  16-17
    1.2.3 调谐液体柱阻尼器的研究综述  17-18
    1.2.4 磁流变阻尼器的研究综述  18-20
    1.2.5 磁流变式调谐液柱阻尼器的研究综述  20-21
  1.3 本文的研究内容  21-24
    1.3.1 论文工程背景  21-22
    1.3.2 论文的研究意义  22-23
    1.3.3 论文完成的主要工作  23-24
第2章磁流变阻尼器的性能试验与力学模型  24-54
  2.1 引言  24
  2.2 磁流变阻尼器的简介  24-26
    2.2.1 磁流变阻尼器的基本工作类型  24-25
    2.2.2 永磁调节式磁流变阻尼器  25-26
  2.3 磁流变阻尼器的性能试验  26-31
    2.3.1 试验设计  26-27
    2.3.2 RD-1005 型磁流变阻尼器的测试结果  27-29
    2.3.3 RD-1097 型磁流变阻尼器的测试结果  29-31
  2.4 磁流变阻尼器现有力学模型回顾  31-38
    2.4.1 参数模型  31-38
    2.4.2 非参数模型  38
  2.5 磁流变阻尼器改进的非线性滞回模型及参数识别  38-44
    2.5.1 磁流变阻尼器改进的非线性滞回模型  38-39
    2.5.2 模型参数识别的量子微粒群优化算法  39-41
    2.5.3 理论模型与试验结果的比较  41-44
  2.6 磁流变阻尼器的BP 神经网络模型  44-52
    2.6.1 神经网络的发展和应用  44
    2.6.2 神经网络的基本特征  44-45
    2.6.3 BP 神经网络的数学描述  45-47
    2.6.4 磁流变阻尼器的正向神经网络模型  47-48
    2.6.5 磁流变阻尼器的逆向神经网络模型  48-49
    2.6.6 磁流变阻尼器神经网络模型的仿真结果  49-52
  2.7 小结  52-54
第3章桥梁—MR-TLCD 系统的建模与时域研究  54-63
  3.1 引言  54
  3.2 磁流变式调谐液柱阻尼器的构造  54-55
  3.3 抑制桥板水平振动的磁流变式调谐液柱阻尼器模型  55-58
    3.3.1 系统的动力模型  55-56
    3.3.2 算例分析  56-58
  3.4 抑制桥板扭转振动的磁流变式调谐液柱阻尼器模型  58-61
    3.4.1 系统的动力模型  58-60
    3.4.2 算例分析  60-61
  3.5 小结  61-63
第4章桥梁—MR-TLCD 系统被动控制的频域研究  63-72
  4.1 引言  63
  4.2 非线性阻尼的等效线性化  63-64
  4.3 磁流变式调谐液柱阻尼器对地震作用的控制研究  64-67
    4.3.1 动力分析  64-65
    4.3.2 算例分析  65-67
  4.4 磁流变式调谐液柱阻尼器对风振作用的控制研究  67-70
    4.4.1 动力分析  67-69
    4.4.2 算例分析  69-70
  4.5 小结  70-72
第5章桥梁—MR-TLCD 系统的半主动控制研究  72-80
  5.1 引言  72
  5.2 MR-TLCD 半主动控制的COC 算法和IOC 算法  72-74
    5.2.1 COC 算法  73
    5.2.2 IOC 算法  73-74
  5.3 MR-TLCD 半主动控制的离复位控制策略  74-75
  5.4 脉动风荷载的生成  75-76
  5.5 数值研究  76-78
  5.6 小结  78-80
第6章 MR-TLCD 在桥梁减振中的仿真研究  80-87
  6.1 引言  80
  6.2 矮寨大桥动力特性分析  80-81
  6.3 抖振力的模拟  81-84
  6.4 减振仿真分析  84-85
  6.5 小结  85-87
结论  87-89
参考文献  89-98
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录和参与的科研项目  98-99
致谢  99

磁流变式调谐液柱阻尼器的建模及对桥梁振动控制的研究

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