超弹性形状记忆合金丝对结构减震控制的研究

论文摘要

超弹性形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）是实施结构被动控制的理想材料。国内外学者致力于SMA在结构振动控制中的研究,取得了一些成果,但在材料本构、阻尼器的研制开发、减震结构振动分析及优化设计等方面,还存在一些问题,有待于进一步研究。在此背景下,本论文在以下几方面进行了系统的理论分析和试验研究:（1）试验测试了超弹性NiTi丝的力学性能,研究了循环次数、加载速率、应变幅值、环境温度等因素对SMA滞回曲线及其力学参数（临界应力、单位循环耗能量、模量、残余应变）的影响。在此基础上,对Lagoudas多线性模型进行改进,分别考虑模型参数随加载速率和循环次数的变化规律,建立了多线性动态本构模型和循环现象模型。针对Graesser模型不能反应加、卸载过程中材料力学性能变化的缺陷,提出了改进方法。（2）设计并制作了新型自复位SMA阻尼器,兼有耗能和复位功能,且构造简单紧凑、丝材受力均匀。力学试验研究了循环次数、位移幅值和加载频率对阻尼器滞回曲线及其力学参数（最大输出力、残余变形、割线刚度、单位循环耗能量和等效阻尼比）的影响。在SMA多线性动态本构模型和受力分析基础上,建立了阻尼器的力学模型。数值模拟分析了不同功能丝组合（复位丝与耗能丝面积比）对阻尼器力学性能的影响。（3）对自复位SMA阻尼器控制下的对称结构弹塑性地震时程反应及其能量分析进行研究,以一三层钢筋混凝土框架结构为算例,分别针对总用丝量相同和控制最大层间位移角相同两种工况,计算比较不同功能丝组合时阻尼器的减震功效和总用丝量,结果表明:当复位丝与耗能丝面积比在0.67～2时,能同时满足减震控制和经济性要求。通过对一二层模型钢框架进行模拟地震振动台试验,验证了自复位阻尼器的减震及复位功能,并证实了理论分析的可靠性。（4）对自复位SMA阻尼器控制下的均匀偏心结构在双向地震输入时的时程反应及其能量分析进行研究,以一单自由度偏心体系为算例,分别针对总用丝量相同和控制最大层间位移角相同两种工况,计算比较了不同功能丝组合时阻尼器的减震功效和总用丝量,建议复位丝与耗能丝面积比取0.67～2,以有效抑制结构的平-扭耦联振动并满足经济性要求。另外,假定复位丝与耗能丝面积比为2,计算了不同地震输入下阻尼器对多自由度偏心结构的振动控制。（5）为了改善多目标优化算法的计算效率和效果以实现耗能减震结构的优化设计,在二元锦标赛遗传算法基础上改进提出了新的一轮锦标赛遗传算法,该算法采用无回放随机联赛选择机制,根据Pareto支配关系复制个体,每一代选择过程在一轮循环中完成;为了将约束优化问题转化为无约束问题,依据Pareto优于准则建立了能体现约束信息的约束子目标函数。测试函数的比较计算证明该算法能够在较短时间内搜索到更多均匀分布的Pareto解。分别针对对称结构和均匀偏心结构,建立了基于Pareto思想的减震结构多目标优化模型,实现了阻尼器数量、位置和减震效果的共同优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 结构振动控制概述
• 1.2.1 被动控制
• 1.2.2 主动控制
• 1.2.3 半主动控制
• 1.2.4 混合控制
• 1.2.5 智能控制
• 1.3 形状记忆合金的基本特性
• 1.3.1 形状记忆效应
• 1.3.2 超弹特性
• 1.3.3 电阻特性
• 1.3.4 大尺寸SMA的力学性能
• 1.4 形状记忆合金在土木工程中的应用研究现状
• 1.4.1 SMA耗能减震装置
• 1.4.2 SMA驱动装置
• 1.4.3 SMA智能复合材料
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 超弹性形状记忆合金丝力学性能的试验与本构研究
• 2.1 引言
• 2.2 超弹性形状记忆合金丝力学性能试验
• 2.2.1 试验概况
• 2.2.2 试验结果与分析
• 2.3 超弹性形状记忆合金丝多线性动态本构模型
• 2.3.1 Lagoudas多线性模型简介
• 2.3.2 多线性动态本构模型
• 2.3.3 数值模拟
• 2.4 超弹性形状记忆合金丝循环现象本构模型
• 2.4.1 基本假定
• 2.4.2 循环现象本构模型
• 2.4.3 数值模拟
• 2.5 改进Graesser模型
• 2.5.1 Graesser模型简介
• 2.5.2 Graesser模型的改进
• 2.5.3 数值结果
• 2.6 本章小结
• 3 自复位SMA阻尼器的设计、试验及理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 自复位SMA阻尼器的构造及工作机理
• 3.2.1 结构构造
• 3.2.2 工作机理
• 3.3 自复位SMA阻尼器的力学性能试验
• 3.3.1 试验概况
• 3.3.2 试验结果与分析
• 3.4 自复位SMA阻尼器的力学模型
• 3.4.1 力学分析及模型
• 3.4.2 数值结果
• 3.5 自复位SMA阻尼器结构参数对其力学性能影响
• 3.5.1 丝材总量相同时功能丝面积比对阻尼器力学性能影响
• 3.5.2 耗能丝面积恒定时功能丝面积比对阻尼器力学性能影响
• 3.6 本章小结
• 4 自复位SMA阻尼器对对称框架结构振动控制的理论和试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 自复位SMA阻尼器控制下结构弹塑性地震响应分析方法
• 4.2.1 时程分析方法
• 4.2.2 能量分析方法
• 4.3 自复位SMA阻尼器对框架结构振动控制的理论研究
• 4.3.1 计算概况
• 4.3.2 计算内容及结果分析
• 4.4 自复位SMA阻尼器对框架结构振动控制的试验研究
• 4.4.1 试验概况
• 4.4.2 试验结果分析
• 4.4.3 理论分析
• 4.5 本章小节
• 5 自复位SMA阻尼器对偏心框架结构平-扭耦联振动控制的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 无控偏心结构动力方程的建立
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 运动方程的建立
• 5.2.3 偏心几何关系
• 5.3 受控偏心结构动力方程的建立
• 5.3.1 受控结构的运动方程
• 5.3.2 控制力位置矩阵的建立
• 5.3.3 阻尼力整体刚度矩阵的建立
• 5.4 自复位SMA阻尼器对偏心框架结构平-扭耦联振动控制的理论研究
• 5.4.1 结构平-扭耦联振动响应参数和地震输入
• 5.4.2 计算内容及结果分析
• 5.5 本章小节
• 6 自复位SMA阻尼器减震结构的多目标优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 多目标优化问题的数学模型及基本概念
• 6.3 二元锦标赛遗传算法
• 6.3.1 选择机制
• 6.3.2 约束条件的处理
• 6.4 一轮锦标赛遗传算法
• 6.4.1 选择机制
• 6.4.2 新的约束条件处理方法
• 6.4.3 Pareto解集过滤器
• 6.4.4 终止条件
• 6.4.5 一轮锦标赛遗传算法流程图
• 6.5 一轮锦标赛遗传算法的性能评价
• 6.5.1 无约束测试函数
• 6.5.2 约束测试函数
• 6.6 一轮锦标赛遗传算法在自复位SMA阻尼器减震结构优化设计中的应用
• 6.6.1 自复位SMA阻尼器控制下的对称框架结构的优化设计
• 6.6.2 自复位SMA阻尼器控制下的非对称框架结构的优化设计
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢