基于SMA阻尼器的大跨越输电塔--线体系风振控制研究

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电力是国民经济发展的重要基础产业,是能源行业的中心。随着跨省区电力资源配置规模和范围的不断扩大,输电塔-线体系作为高压电能输送与分配的载体,朝着大跨越、高塔体的方向发展,结构所具有的轻质、高柔、小阻尼特性使其对风荷载更加敏感。近年来,强风作用导致输电线路的破坏现象时有发生,线路一旦失效,将会严重影响国家的生产建设和人民的生活秩序。因此,对输电塔-线体系开展风振控制研究,确保风荷载作用下输电线路的正常运行具有重要意义。考虑到输电塔-线体系的结构特点与运行环境,当前输电塔-线体系的被动型减振控制为主要研究方向。本文以提升传统被动控制阻尼器减振性能为出发点,将形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)引入传统吸振技术,提出了适用于输电塔-线体系的双重减振阻尼器,实现了对输电塔-线体系在风荷载下的减振控制,通过系统地研究两种阻尼器的减振性能,揭示了基于SMA阻尼器的减振机理与效果。本文的主要工作包括以下几方面:
  (1)提出了基于SMA的双向调谐质量阻尼器(Shape Memory Alloy-Bidirectional Tuned Mass Damper, SMA-BTMD),研究了SMA-BTMD的减振机理,建立了输电线路结构-阻尼器耦合体系计算模型,对比了输电塔-线体系分别在无控、传统BTMD控制和SMA-BTMD控制下的动力响应,验证了SMA-BTMD对输电塔-线体系风振控制的优越性。通过对实体单元SMA弹簧形状参数的规律研究,优化了SMA-BTMD形状参数。
  (2)开展了风荷载作用下输电单塔和塔-线体系分别附加SMA-BTMD的参数分析,研究了频率比对SMA-BTMD减振效果的影响规律。对比研究了NiTi基、单晶CuAlBe基和多晶CuAlBe基SMA-BTMD的减振性能,为SMA-BTMD的材料选择和参数设计提供理论支撑。
  (3)提出了基于SMA的弹簧摆(Shape Memory Alloy-Spring Pendulum,SMA-SP),建立了大跨越输电塔-线体系附加SMA-SP的分析方法。由于SMA-SP具有高度非线性的特点,本文从减振耗能机理出发,对比分析了SMA-SP和传统SP对风荷载激励下塔-线体系的减振性能,并对SMA-SP控制过程中阻尼器质点振动模态与SMA弹簧滞回行为进行了深入研究。
  (4)基于SMA-SP对输电线路结构风振控制性能的验证,定量研究了关键设计参数对SMA-SP减振效果的影响规律:阻尼器质量比、阻尼器与被控结构的调谐频率比,以及弹簧振动模态与整体摆动模态的模态频率比,为SMA-SP应用于输电塔-线体系风振控制设计提供参考。
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