宏纤维复合材料的驱动方程及对斜拉索振动的主动控制

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在交通日新月异发展的今天,我国修建了越来越多的大跨度桥梁来方便人们通行。如今,斜拉桥以其优异的跨越能力,成为了主流的大跨度桥梁结构之一。斜拉索作为斜拉桥的主要构件之一,它起着承载与传递力的作用。由于斜拉索是柔度大、质量轻的小阻尼结构,其在外界荷载作用下容易产生多种形式的的振动,长期的振动会使得斜拉索的锚固端疲劳甚至破坏,引起桥梁结构的内力重分布,严重情况下会造成桥梁结构损坏,造成巨大的经济损失。为了抑制斜拉索的振动,通常工程中采取的是被动或半主动控制方法,但它们都存在着一定的缺陷,为此本文引入了宏纤维复合材料(MFC)作为斜拉索的减振控制装置。作为一种新型的压电智能材料,宏纤维复合材料(MFC)由压电陶瓷纤维、环氧树脂基、交叉指形电极构成,它具有质量极轻、柔韧性好、驱动效果好、驱动频段宽等优点。目前,MFC已经被应用于板壳结构振动控制领域,但国内外对MFC的驱动性能研究却少之又少,还没有研究出一套完整的MFC与受控结构复合的驱动方程。因此本文展开了对MFC与受控结构复合驱动方程的研究,建立了两种MFC驱动方程,完成了MFC对平板结构的驱动试验;本文提出了一种基于MFC的斜拉索减振方法,选用的控制方法为主动控制方法,并进行了斜拉索的振动控制仿真分析。本文主要工作如下:1)推导出了两种宏纤维复合材料驱动方程,讨论了受控结构泊松比与MFC泊松比对MFC驱动力的影响,进行了MFC的平板驱动仿真与试验,分析并验证了两种宏纤维复合材料驱动方程的适用性。2)提出了一种基于MFC的斜拉索附加弯矩减振方法,将MFC沿斜拉索轴向对称粘贴,使得MFC对斜拉索施加附加弯矩。将MFC提供的附加弯矩等效为垂直于斜拉索的分布力,并以此建立了斜拉索动力学方程。3)分别运用平衡截断模型降阶方法与H2范数降阶方法对斜拉索模型进行降阶并对比,选取平衡截断模型降阶方法的结果进行振动控制仿真。4)分别运用PID控制方法和模糊PID控制方法完成了斜拉索的主动控制仿真,结果表明模糊PID控制的效果更优,说明MFC控制斜拉索振动是可行的。
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