单层网壳结构振动主动控制有限元分析与试验研究

论文摘要

随着社会的发展,网壳结构的应用越来越广泛,但是在地震和风荷载作用下大跨结构的振动控制问题越来越突出与紧迫。压电材料具有正逆压电效应,可作为传感器和驱动器。在大跨空间钢结构中如何充分利用压电材料的压电效应进行主动控制已成为重要的研究热点。本文以网壳结构压电主动控制为目的,以压电主动控制杆件为研究对象,采用数值分析和试验研究的方法,进行了单层网壳结构有限元分析和模拟地震振动台试验研究,其主要研究工作如下:（1）应用有限元软件ANSYS12.0对9种单层凯威特网壳结构（跨度分别为30m,40m,50m;矢跨比为1:3,1:4,1:5）进行了有限元分析,推导了地震波量化处理的傅里叶变换,建立了定量分析计算模型,分析了在EL-Centro波、Taft波和兰州波三种地震波水平作用方向下的54种工况,得到了在地震作用下结构的振动响应规律和动力特性。（2）设计制作了一种主动杆件压电驱动器,获得了相应发明型实用型专利。本文通过对8根主动杆件压电驱动进行动态和驱动性能试验,研究了压电驱动器振动频率,探讨了影响驱动器性能的主要因素,分析了驱动电压与驱动力之间的增益关系。试验分析结果表明,压电驱动器振动频率为550HZ,驱动电压与驱动力增益为线性关系,可应用于土木工程结构的地震响应主动控制。（3）对含压电主动杆件的网壳结构进行了主动控制策略分析,推导了压电主动杆件的有限元方程,建立了含有压电主动杆件的单层凯威特网壳结构的有限元方程,引入了独立模态控制算法。结果表明,模态控制方法适用于网壳结构的压电主动控制。（4）设计并制作了含有压电主动杆件的单层K6型凯威特网壳模型结构,并进行了58种有控和无控工况数值分析和模拟地震振动台试验研究,对比分析了单层网壳结构主动控制的数值模拟和试验研究结果,探讨了压电主动杆件控制效果的主要影响因素。结果表明,压电主动杆件驱动器能有效抑制网壳结构的振动响应。通过本文研究表明,在土木工程中,充分利用压电材料优越的材料性能,在空间钢结构中合理应用主动控制策略,并利用压电类驱动器进行振动主动控制,对于解决大跨空间钢结构的振动问题、动力失稳问题具有重要的理论意义,其应用具有广泛的应用前景和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 压电材料的应用研究
• 1.2.2 压电智能结构稳定性问题
• 1.2.3 压电智能结构动力学有限元分析模拟的研究
• 1.2.4 压电智能结构振动控制理论
• 1.3 本文主要工作
• 2 水平地震作用下单层凯威特网壳结构振动响应分析
• 2.1 前言
• 2.2 地震波的模拟
• 2.2.1 地震波的选用
• 2.2.2 地震波量化表达
• 2.2.3 地震波的调整
• 2.3 运动方程的建立
• 2.3.1 网壳结构分析的计算模型
• 2.3.2 网壳的计算方法
• 2.3.3 单层网壳结构分析的有限单元法
• 2.4 数值模拟
• 2.5 本章小结
• 3 压电理论与主动杆件的设计
• 3.1 前言
• 3.2 压电材料的性能
• 3.2.1 压电材料的介电常数
• 3.2.2 压电材料的弹性性质
• 3.2.3 压电效应
• 3.2.4 压电陶瓷特点
• 3.3 压电材料的本构关系-压电方程
• 3.3.1 机械边界条件
• 3.3.2 电学边界条件
• 3.3.3 压电方程
• 3.4 主动杆件驱动器动力学模型与设计
• 3.4.1 主动杆件驱动器动力学模型
• 3.4.2 压电驱动器的设计
• 3.5 主动杆件驱动器的性能测试
• 3.5.1 压电堆基本参数
• 3.5.2 主动杆件压电驱动器动态性能测试
• 3.5.3 主动杆件压电驱动器驱动性能
• 3.6 本章小结
• 4 网壳结构主动控制系统模型建立
• 4.1 前言
• 4.2 结构振动主动控制的机理
• 4.3 网壳结构主动控制动力学模型
• 4.4 主动控制算法
• 4.4.1 单层网壳结构的模态控制算法
• 4.4.2 含有压电主动杆件网壳结构的模态控制算法
• 4.5 本章小结
• 5 主动控制数值模拟与试验
• 5.1 前言
• 5.2 试验设计
• 5.2.1 试验模型
• 5.2.2 主动杆件位置的优化
• 5.2.3 试验设备
• 5.2.4 控制原理及流程设计
• 5.2.5 试验测点布置与工况
• 5.3 数值模拟与试验结果对比分析
• 5.3.1 数值模拟
• 5.3.2 结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 硕士研究生学习阶段发表论文