磁流变阻尼器减震结构振动台试验研究

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作为半主动减震装置的典型代表,磁流变(MR)阻尼器完美结合了主动控制的灵活性和被动控制的可靠性的优点,能够利用微小外部能量产生较大且连续可调的阻尼力,因此受到了国内外学者的广泛关注。由于磁流变阻尼器减震控制涉及多领域交叉学科,仍然存在诸多问题尚未解决。特别是在磁流变阻尼器减震系统开发和设计,以及控制系统的高度集成化、微型化等方面研究较少,高度集成化的磁流变阻尼器减震系统的实时在线控制效果研究仍存在一定的研究空间和价值。因此,本文针对磁流变阻尼器减震系统的关键问题,如磁流变阻尼器力学性能、磁场分布、优化设计以及减震系统控制器的设计和研制等工作展开研究,主要研究工作如下:(1)提出了考虑Stribeck效应的磁流变阻尼器力学模型通过对本课题组自主研发的双出杆磁流变阻尼器进行不同电流、位移幅值和激励频率下的力学性能试验,系统地研究了其阻尼力特性。尤其是对低速区Stribeck效应产生的原因及其随电流、频率、位移幅值变化的规律进行了探讨。以双Sigmoid力学模型为基础,提出了能够较为准确地描述低速区Stribeck效应的改进滞回模型,并利用试验数据验证了所提模型的准确性。(2)开展了基于全构件模型的磁流变阻尼器磁场分析及测试为实现磁流变阻尼器的优化设计,需要准确分析阻尼间隙处磁场分布状态,研究影响阻尼间隙磁感应强度的诸多因素。首先,对磁流变阻尼器的全构件磁路进行了理论分析,并根据等效磁路理论给出阻尼间隙处磁感应强度的计算方法;其次,利用通用有限元软件对包含不同构件的磁场进行仿真,并对相应的磁感应强度进行测试,将测试结果与仿真结果进行对比分析。结果表明,考虑非工作磁路的仿真计算结果与实测值基本吻合,基于全构件模型的磁感应强度仿真计算结果更加准确、可靠。(3)实现了基于性能目标的磁流变阻尼器优化设计磁流变阻尼器最大出力和可调系数高度依赖于阻尼间隙处的磁感应强度和阻尼器的几何尺寸,而几何尺寸又对磁感应强度产生影响。为实现特定性能磁流变阻尼器的设计,提出了一种面向性能目标的磁流变阻尼器智能靶向寻优设计方法,解决了阻尼间隙处磁感应强度及阻尼器几何尺寸的优化问题。根据优化结果制作磁流变阻尼器,并对其进行磁场测试和力学性能测试来验证此种优化设计方法的有效性。(4)提出了磁流变阻尼器减震系统的智能分段控制策略实际应用对磁流变阻尼减震系统有可靠性、稳定性和易实现的要求,考虑控制效果和简单高效间的平衡,本文提出了一种基于位移反馈和地面加速度反馈的智能分段控制(PSC)策略。该控制策略计算量小,反馈需求量少,控制效果优于两种被动控制策略,利于微型化控制器的实现,较好解决了减震系统的实际应用需求。(5)开展了磁流变阻尼器减震结构振动台试验对底层安装集成化磁流变阻尼器减震系统的三层钢框架进行了振动台试验研究,以不同地震波作为激励输入,对实时在线智能分段控制与传统的Passive on和Passive off控制策略下的结构动态响应进行了比较,以检验所开发的减震系统的振动控制效果。试验结果表明,该磁流变阻尼器减震系统能够显著降低结构动力响应,有效实现对结构振动的实时在线控制,其对位移和加速度响应的综合控制效果要优于两种被动控制方式。本文的创新之处在于:(1)提出了一种可反映低速区域Stribeck效应的改进滞回模型,该模型更能准确描述能准确地描述低速区的阻尼力突变特性;(2)提出了一种面向性能目标的磁流变阻尼器智能靶向寻优设计方法,解决了阻尼间隙处磁感应强度及阻尼器几何尺寸的优化问题;(3)提出了一种基于位移反馈和地面加速度反馈的智能分段控制策略;搭建了集成化的磁流变智能减震系统,并对加入该智能减震系统的建筑结构模型进行了模拟地震振动台试验,验证了该系统的有效性。
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