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空间网壳结构主动抗震控制理论与试验研究

作　者: 曹伟
导　师: 王社良
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 网壳结构压电材料压电主动杆件主动控制数值分析振动台试验
分类号: TU352.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着建筑结构向大型化发展,将智能材料应用于建筑结构的主动抗震控制已成为一个重要的研究领域,压电智能结构就是目前的研究重点之一。主动控制是当前结构振动控制领域的高新技术,它涉及结构动力学、材料科学、信息控制理论、传感技术、计算机科学、测量技术和地震工程等多门学科。由于它具有控制效果好和适应能力强等优点,目前已成为航空航天、土木建筑、机械工程及车辆工程领域的研究热点,并且在上述一些领域中得到了较好的应用。因此,开展应用压电材料进行结构主动抗震控制具有重要的理论意义和实用价值。压电材料具有正压电效应和逆压电效应,它既可以作为传感器又可以作为作动器。将压电作动器集成于结构主体杆件之中研制的压电主动杆件布置到工程结构之中,即可形成压电智能结构。实践证明,压电智能结构具有高效率控制和自适应等优点。本文介绍了主动控制技术在土木工程结构减震控制中的应用,建立了网壳结构的主动控制模型,给出了相应的主动控制方法,分析了LQR和LQG主动控制算法的特点。应用Matlab软件,编制了LQR主动控制算法程序,并对一网壳模型结构在地震作用下的主动控制效果进行了计算机数值分析。结果表明,文中给出的控制方法能够有效减小网壳模型结构的地震响应,主动控制效果非常明显,般情况下结构的地震位移响应可减小40%左右。为了验证文中所提主动控制方法的可行性和有效性,本文加工制作了一个跨度为1.6米,矢高为0.16米的六星型穹顶网壳模型结构。基于压电材料的压电作动效应,研制了一种新型压电主动杆件,并将8根新型压电主动杆件布置到网壳模型结构之中,进行了设置8根新型压电主动杆件网壳模型结构的主动抗震控制模拟地震振动台试验。试验结果表明,文中研制的压电主动杆件不仅可以有效地抑制和减小结构的地震响应,而且构造简单,容易集成,自适应能力强,是一种较好的主动控制元件。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 引言  10-11
  1.2 结构振动控制概述  11-13
    1.2.1 主动控制  11-12
    1.2.2 被动控制  12-13
    1.2.3 半主动控制  13
    1.2.4 混合控制  13
  1.3 压电智能结构研究概况  13-14
  1.4 网壳结构减震控制研究现状  14-15
  1.5 本文的主要研究内容  15-16
2 结构主动控制概述  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 主动控制系统的组成  16-17
  2.3 主动控制的减震机理  17-18
  2.4 主动控制算法  18-24
    2.4.1 最优控制算法  19
    2.4.2 受控结构的状态空间描述  19-20
    2.4.3 确定性激励下的线性二次型(LQR)经典最优控制  20-23
    2.4.4 随机性激励下的线性二次型Gauss(LQG)控制  23-24
  2.5 本章小结  24-26
3 压电理论介绍、压电主动杆件设计及测试  26-43
  3.1 引言  26
  3.2 压电材料介绍  26-28
    3.2.1 压电效应  26-27
    3.2.2 压电材料的发展  27-28
  3.3 压电材料的本构关系—压电方程  28-31
  3.4 压电主动杆件设计  31-33
    3.4.1 压电片  31
    3.4.2 压电堆  31-32
    3.4.3 压电主动杆件的设计  32-33
  3.5 压电主动杆件测试  33-42
    3.5.1 压电堆基本参数  33-34
    3.5.2 理论值(理想状态)  34-35
    3.5.3 压电主动杆件测试  35-42
  3.6 本章小结  42-43
4 空间网壳模型结构设计及主动控制数值分析  43-55
  4.1 引言  43
  4.2 压电网壳模型结构设计  43
  4.3 网壳模型结构分析基本假定  43-44
  4.4 数值分析的目的和主要步骤  44-45
  4.5 LQR最优控制下的数值分析  45-54
    4.5.1 地震波的选取与调整  45-46
    4.5.2 地震作用下的LQR最优控制比较分析  46-54
  4.6 结果与分析  54
  4.7 本章小结  54-55
5 空间网壳模型结构主动抗震控制试验研究  55-71
  5.1 引言  55
  5.2 网壳模型结构主动抗震控制试验  55-56
  5.3 试验设备  56-63
    5.3.1 压电堆及压电主动杆件  57
    5.3.2 信号发生器  57
    5.3.3 功率放大器  57-58
    5.3.4 激振器  58
    5.3.5 加速度测量仪及传感器  58-59
    5.3.6 信号采集与处理系统  59-61
    5.3.7 数据采集转换卡  61-62
    5.3.8 电路板  62-63
  5.4 压电主动杆件位置布置与加速度测点布置  63-64
  5.5 试验结果分析  64-69
    5.5.1 正弦波(调幅至加速度度峰值为300gal)  64-67
    5.5.2 El centro地震波(调幅至加速度度峰值为500gal)  67-69
  5.6 分析与结论  69-70
  5.7 本章小结  70-71
6 结论与展望  71-73
  6.1 主要研究结果  71-72
  6.2 研究展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
附录硕士研究生学习阶段发表论文  78

空间网壳结构主动抗震控制理论与试验研究

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