结构振动控制（精选12篇）
结构振动控制 篇1
结构振动控制是一个应用领域广泛的工程问题。所谓结构振动控制 (以下称为结构控制) 是指采用某种措施使结构在动力载荷作用下的响应不超过某一限量, 以满足工程要求[1]。
结构控制问题是一种多学科交叉的理论与工程问题, 其结构类型繁多、控制目标不同、实现手段多样。目前, 国内外控制界对这类问题的研究十分重视, 有大量的学术论文发表, 其中不少新结果得到了实际工程应用。本文旨在对当前结构控制的一些新进展加以综述, 并对一些有待进一步研究的问题给以归纳。
1 结构控制的特点、发展与现状
1.1 按控制对能量需求来划分
从控制对外部能量需求的角度[2], 结构控制可分为:被动结构控制、主动结构控制、混合结构控制、半主动结构控制。除被动控制外, 其他三种控制方式中的控制力全部或部分地根据反馈信号按照某种事先设计的控制律实时产生。主动结构控制效果较好, 对环境有较强的适应力, 但完全依赖外部能源, 闭环稳定性比其他方式差。在被动控制中, 控制力不是由反馈产生的。其主要优点是:成本低、不消耗外部能量、不会影响结构的稳定性;缺点是:对环境变化的适应力与控制效果不如其他方案。混合控制是指用主动控制来补充和改善被动控制性能的方案。由于混合了被动控制, 因此减小了全主动控制方案中对能量的要求。半主动控制中通常包含某种对能量需求很低的可控设备, 如可变节流孔阻尼器等作用时所需的外部能量通常比主动控制小得多。一些初步研究表明混合控制与半主动控制的性能大大优于被动控制, 甚至可达到或超过主动控制的性能, 并在稳定性与适用性方面要优于后者[8], 因此成为当前研究的一个热点。
1.2 按结构特性划分
从被控结构的特性划分, 结构控制可分为柔性结构控制与刚性结构控制。其中柔性结构包括大型柔性空间结构、大跨度桥梁等;刚性结构则包括武器系统中稳定平台、车辆悬挂系统、多刚体机器人等。对于两类结构控制所用的主动控制设备也不相同, 如在柔性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是分布智能材料, 如压电材料;而刚性结构控制中传感器与执行器常用的智能材料是电智能材料, 如磁致伸缩材料。相应地所研究的控制问题侧重点也有所不同, 如柔性结构控制中多研究分布参数系统, 在控制器设计时所考虑的是模型简化与控制溢出等问题, 波动控制是其中较新提出的一类控制问题。而在刚性结构控制中则较多研究智能材料的非线性与在不同约束下的控制器设计问题。
1.3 按控制效果要求划分
精度要求是根据不同的应用而定的。不同的指标决定了不同的控制。如稳定平台, 控制目的是消除振动, 使平台系统尽可能保持稳定, 而在土木结构中, 控制目的是减少振动和保证安全, 并不要求完全消除振动。
在高精度应用中常采用精密的智能结构, 如Stewart六自由度稳定平台[6], 采用Terfenol_D材料, 在尺寸与重量方面都较小, 在控制器设计时常采取比较复杂的控制策略, 以求达到高的控制效果, 比如微米级或纳米级精度, 而相对地, 对控制能量要求不大。相反在一些低精度结构控制中由于被控结构特点往往超大尺寸, 超大重量, 如高层建筑, 控制律则要相对简单, 高可靠性, 低控制能量。
2 结构振动控制中的一些理论
2.1 结构控制中建模与模型简化
建模的目的是建立结构及控制系统在外部动态载荷作用下的动力响应模型, 尽量真实地描述整个系统的行为。通常的建模方法有两种[2]:1) 根据牛顿力学原理建立系统的数学模型。对于复杂结构, 这类模型往往维数较高或者是分布系统, 多用于系统动力学响应分析与对闭环系统的性能评价方面。2) 利用系统的输入/输出数据采用控制中的系统辨识算法辨识出系统模型, 辨识算法不同, 则得到的描述模型也不尽相同。
2.2 最优控制问题
1) 混合最优控制。通过被动控制可以在一个给定范围内改变结构的质量、刚度与阻尼等参数, 进而改变结构的动力学特性。而基于结构原始参数, 按照某一准则可设计出具有理想闭环性能的控制器。在保证上述理想闭环系统动态特性前提下, 同步进行控制器与结构参数重新设计, 就有可能同时优化结构与控制参数, 在同样的控制效果下最小化控制能量, 即实现“被动与主动控制的最优混合”, 得到性能与结构参数满足给定约束的最小能量控制器。如果通过这种优化得到的主动控制器所需能量为零, 则对应的最优控制是被动控制。这种最优混合问题可化为凸二次规划问题, 数值解的收敛速度快并能保证全局最优解。
2) 可行控制。通常的输出或输入约束下的最优控制是在L2范数约束下最小化通常最优控制中的某一标量性能函数, 而可行性控制是对输出和输入同时加可行性约束, 但并不最小化某个标量性能指标。从这一意义上, 可行控制不是最优的, 但优点在于易于求得数值解, 如利用MATLAB的LMI软件工具箱。
2.3 随机控制
在结构模型中, 结构动力学特性与外部作用力通常存在着不确定性。此外对结构响应输出测量时, 由于柔性结构动力学特性是无穷维的, 分散点测量无法对状态进行完全观测, 而且存在传感器噪声, 因此对结构控制中一些问题的研究需要随机控制理论。
2.4 智能控制
在结构控制中, 神经元网络除用于辨识结构模型外, 也用于结构控制。间接预报学习控制用于大型空间结构中, 自适应神经控制用于柔性空间结构振动控制, 使用BP算法及随机优化搜索算法训练的神经元网络逼近多自由度结构的逆动态和控制结构响应。
3有待研究的控制问题
1) 控制器设计角度的建模与模型简化:由于结构系统维数高, 含有未建模动态特性及参数不确定性等, 研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的, 同时对于含智能材料的结构, 由于材料的强非线性, 对材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究。2) 研究一些较新的鲁棒控制器设计方法:另外研究基于某类特殊结构 (如含磁致伸缩材料的稳定平台) 的振动控制机理与鲁棒控制算法等都是有很强的工程应用前景的问题。3) 结构控制中的混合控制:不同类型的控制算法集成的研究即混合控制方式目前是控制界极受关注的问题, 在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合, 具有实际意义的方向。4) 许多结构控制问题对于可靠性要求很高, 而在正常条件下又无法对整个闭环系统进行实现证实控制方案的正确性, 如为提高建筑物的抗震能力而设计的结构控制器
参考文献
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[5]黄军辉, 薛素铎, 周乾.形状记忆合金在结构振动控制中的应用[J].世界地震工程, 2002 (3) :24-25.
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[7]刘季, 李敏霞.变刚度结构半主动控制的研究[J].地震工程与工程振动, 1997 (1) :47-48.
[8]刘季, 孙作玉.结构可变阻尼半主动控制[J].地震工程与工程振动, 1997 (2) :62-63.
结构振动控制 篇2
基于Hamilton变分原理,采用Timoshenko梁理论,对带有柔性附件的航天器建立了中心刚体-柔性梁的动力学模型.研究了调姿时带有柔性附件的.航天器的动力学与控制问题,给出了问题的滑模变结构控制方法.基于Lyapunov方法证明了姿态的渐近稳定性.利用数值仿真过程讨论了卫星姿态角和姿态角速度的变化规律.最后,利用仿真结果验证了变结构控制方法的可行性和有效性.
作 者：陈涛 胡超 黄文虎 CHEN Tao HU Chao HUANG Wen-hu 作者单位：陈涛,黄文虎,CHEN Tao,HUANG Wen-hu(哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001)
胡超,HU Chao(哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨,150001;同济大学航空航天与力学学院,上海,92)
结构振动控制 篇3
摘要：提出了一种新的损伤指标用于框架结构的震后损伤识别.以环境振动作为激励信号，采用小波包分解理论，利用框架结构损伤后振动信号的能量在频域内的变化，构建损伤指标DI，并给出了损伤识别流程图.在此基础上，以某钢筋混凝土框架结构为例，设定4种震后损伤工况，对框架结构进行了震后损伤识别分析，探讨了不同楼层、不同类型振动信号对损伤识别效果的影响.结果表明：本文构建的损伤指标DI可以有效识别框架结构的震后损伤，损伤指标DI与损伤程度之间有近似线性的关系；基于较高楼层振动信号的损伤指标值对结构的损伤识别效果较佳；利用速度信号可获得比加速度信号更好的识别效果.
关键词：环境振动信号；小波包分解；框架结构；震后损伤识别；识别效果对比
中图分类号：TU311.3文献标识码：A
Abstract： To address the damage identification problem of frame structures after earthquakes， a new damage identification method based on the wavelet packet decomposition was proposed. The structural vibration signal under environmental vibrations was used to constitute damage indicator （DI） as follows： the vibration signal was decomposed into each frequency band with wavelet packet decomposition， then， a damage indicator was established on the basis of the energy ratio variation on frequency domain. On the above basis， a 3D finite element model of a frame structure was created by calculating DI using the proposed method. The influence on the damage identification of different floors and different types of excitation was discussed.The results show that the DI proposed can be used to identify damage effectively and the DI value is approximately linear to the damage degree. Damage identification based on vibration signal of higher floor is better than that of lower floor and the damage identification effect with velocity signals is better than acceleration signals.
Key words： environmental vibration record； wavelet packet decomposition； RC frame structure； damage identification； identification effect
我国是一个地震灾害频发的国家，城市中建筑结构密集.在高烈度地震发生后，能够对震后灾区的建筑结构进行快速有效的损伤诊断显得非常重要.传统的结构损伤识别方法，往往采用结构的自振频率、阻尼比、振型、质量和刚度矩阵等作为损伤指标，虽然这些损伤指标理论上可以用来识别损伤，但实际工程中由于测试误差和噪音等因素很难准确地获得这些物理参数＼[1＼].
近年来，随着小波包分解理论的应用，基于结构振动信号的损伤识别方法逐渐得到了重视.滕军等＼[2＼]对高层结构的加速度信号进行小波包分解，由频带能量变化率指标判别出结构的损伤程度.丁幼亮等＼[3＼]对混凝土板损伤前后的动力响应进行小波包分解，由特征频带的能量变化识别损伤.谭冬梅等＼[4＼]对输电塔架的结构振动信号进行小波包分解和聚类分析识别出了输电塔架的多个损伤工况.Hae等＼[5＼]利用小波变换分解结构振动信号，根据时域内的能量分布构建损伤指标，对4层钢框架结构进行了损伤识别分析.这些研究是通过对振动信号进行小波包分解或者小波变换得到频域或时域内能量分布，由结构损伤前后能量分布的改变情况构建损伤指标.但在实际工程应用中存在以下两个问题：第一，难以对大型结构施加动荷载；第二，难以保证结构损伤前后的激励完全一致.
众所周知，地球表面无时无刻都在作不规则的微弱振动，这种振动的产生可以认为是气象变化、潮汐、海浪等自然力和交通运输、动力机器、爆破冲击等人为振源经地层介质多重反射和透射、由四面八方传播到测试点的各种谐波集合而成，随时间作不规则的微弱振动，可理解为横波在场地表土层中的多重反射结果，具有平稳随机过程的性质＼[6＼].由此，本文探索以环境振动作为激励信号，采用小波包分解和概率统计相关理论，利用框架结构损伤后振动信号的能量在频域内的变化构建损伤指标DI，进行钢筋混凝土框架结构的震后损伤识别分析，以避免上述的两个缺陷.
5 结论
针对钢筋混凝土框架结构的震后损伤识别问题，本文建立了一种基于环境振动信号的小波包分解损伤识别方法，并以某钢筋混凝土框架结构为例，对框架结构进行了震后损伤识别分析，探讨了不同楼层、不同类型振动信号对损伤识别效果的影响.通过本文的算例分析，可以得到如下初步结论：
1） 利用文中构建的损伤指标DI可以有效识别框架结构的损伤，损伤指标DI与损伤程度之间有近似线性的关系.
2） 选取不同楼层的振动信号对损伤识别效果有较大影响.基于较高楼层振动信号的损伤指标值对结构的损伤识别效果较好，建议采用结构顶层的振动信号构造损伤指标.
3） 在本文算例中，速度信号比加速度信号对损伤变化更为敏感；基于速度信号的损伤指标与损伤程度的拟合结果，较基于加速度信号的拟合结果更接近线性，识别效果更好.
参考文献
[1]宗周红，任伟新，阮毅.土木工程结构损伤诊断研究进展＼[J＼].土木工程学报，2003，36（5）：105-110.
ZONG Zhouhong， REN Weixin， RUAN Yi. Recent advances in research on damage diagnosis for civil engineering structures＼[J＼]. China Civil Engineering Journal， 2003， 36（5）：105-110.（In Chinese）
[2]滕军，何春凯.高层结构震后损伤的小波包分析模糊评价方法＼[J＼].土木建筑与环境工程，2010，32（12）：469-471.
TENG Jun， HE Chunkai. Wavelet packet analysis of earthquake damage of highrise structures based on fuzzy evaluation method＼[J＼]. Journal of Civil Architectural & Environmental Engineering， 2010， 32（12）：469-471.（In Chinese）
[3]丁幼亮，李爱群，缪长青.基于小波包能量谱的结构损伤预警方法研究＼[J＼].工程力学，2006，23（8）：42-48.
DING Youliang， LI Aiqun， MIAO Changqing. Investigation on the structural damage alarming method based on wavelet packet energy spectrum＼[J＼]. Engineering Mechanics， 2006， 23（8）： 42-48.（In Chinese）
[4]谭冬梅，瞿伟廉，秦文科.基于小波包和模糊聚类的输电塔架结构损伤诊断＼[J＼].天津大学学报，2011，44（8）：695-700.
TAN Dongmei， QU Weilian， QIN Wenke. Damage identification of transmission tower based on wavelet packet transform and fuzzy clustering ＼[J＼]. Journal of Tianjin University， 2011， 44（8）： 695-700.（In Chinese）
[5]YONG N H，KRISHNAN N K， LIGNOS D G， et al. Use of waveletbased damagesensitive features for structural damage diagnosis using strong motion data[J]. Journal of Structural Engineering， 2011，137（10）：1215-1228.
[6]中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会.建筑振动工程手册＼[M＼].北京：中国建筑工业出版社，2002：586-588.
Branch of architectural vibration， China association for engineering construction standardization. Building vibration engineering handbook[M]. Beijing： Chinese Building Industry Press， 2002：586-588.（In Chinese）
[7]熊立红，杜修力，陆鸣，等.5.12汶川地震中多层房屋典型震害规律研究＼[J＼].北京工业大学学报，2008，34（11）：1166-1172.
XIONG Lihong， DU Xiuli， LU Ming， et al. Damage of multistory buildings during the 2008 Wenchuan earthquake＼[J＼]. Journal of Beijing University of Technology， 2008， 34（11）：1166-1172.（In Chinese）
[8]齐岳，郑文忠.低周反复荷载下核心高强混凝土柱抗震性能试验研究＼[J＼] .湖南大学学报：自然科学版，2009，36（12）：6-12.
1） 利用文中构建的损伤指标DI可以有效识别框架结构的损伤，损伤指标DI与损伤程度之间有近似线性的关系.
2） 选取不同楼层的振动信号对损伤识别效果有较大影响.基于较高楼层振动信号的损伤指标值对结构的损伤识别效果较好，建议采用结构顶层的振动信号构造损伤指标.
3） 在本文算例中，速度信号比加速度信号对损伤变化更为敏感；基于速度信号的损伤指标与损伤程度的拟合结果，较基于加速度信号的拟合结果更接近线性，识别效果更好.
参考文献
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1） 利用文中构建的损伤指标DI可以有效识别框架结构的损伤，损伤指标DI与损伤程度之间有近似线性的关系.
2） 选取不同楼层的振动信号对损伤识别效果有较大影响.基于较高楼层振动信号的损伤指标值对结构的损伤识别效果较好，建议采用结构顶层的振动信号构造损伤指标.
3） 在本文算例中，速度信号比加速度信号对损伤变化更为敏感；基于速度信号的损伤指标与损伤程度的拟合结果，较基于加速度信号的拟合结果更接近线性，识别效果更好.
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浅谈土木工程结构振动控制技术 篇4
1 被动控制
被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术, 一般是指在结构的某个部位附加一个子系统, 或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制因其构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注, 并成为目前应用开发的热点, 许多被动控制技术已日趋成熟, 并已在实际工程中得到应用。被动控制从控制机理上可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类。
1.1 基础隔振
基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置, 以减小地震能量向上部的传输, 从而达到减小上部结构振动的目的。基础隔振能显著降低结构的自振频率, 适用于短周期的中低层建筑和刚性结构, 由于隔振仅对高频地震波有效, 因此对高层建筑不太适用。
1.2 耗能吸能减振
耗能吸能减振装置主要有:金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器、粘性液体阻尼器、调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、液压质量控制系统和质量泵等。
2 主动控制
主动控制是一种需要外部能源的结构控制技术, 它是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的, 其工作原理如下:传感器监测结构的动力响应和外部激励, 将监测的信息送入计算机内, 计算机根据给定的算法给出应施加的力的大小, 最后, 由外部能源驱动, 控制系统产生所需的力。如果传感器仅测量结构响应的信号, 称控制系统为闭环控制;如果传感器仅测量外部激励的信号, 称控制系统为开环控制;如果传感器同时测量结构响应和外部激励的信号, 则称控制系统为闭-开环控制。主动控制可分为控制力型和结构性能可变型 (半主动控制) 两类。
2.1 控制力型
它的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器, 将传感器获得的信号作为控制振动的控制信号, 通过作动器随时向结构施加控制力, 以便及时控制结构的动力反应。控制装置大体上由仪器测量系统 (传感器) 、控制系统 (计算机) 、动力驱动系统 (作动器) 等组成。目前研究开发的控制力型主动控制装置主要有:主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑系统、主动空气动力挡风板系统、气体脉冲发生器系统等。
2.2 结构性能可变型 (半主动控制)
它是利用控制机构来主动调节结构内部的参数, 使结构参数处于最优状态, 所需的外部能量比控制力型小得多。比起控制力型主动控制, 结构性能可变型主动控制更容易实施而且也更为经济, 而控制效果又与前者相近, 因此结构性能可变型主动控制目前具有更大的研究和应用价值。结构性能可变型主动控制往往采用开关控制或称为"0-1"控制, 通过开关改变控制器的工作状态, 从而改变结构的动力特性。目前, 较为典型的结构性能可变型主动控制装置有:可变刚度系统、可变阻尼系统、主动调谐参数质量阻尼系统、可控 (电流变或磁流变) 液体阻尼器、可控摩擦式隔振系统等。
3 混合控制
混合控制是主动控制和被动控制的联合应用, 使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点, 它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量, 又可以利用主动控制系统来保证控制效果, 比单纯的主动控制能节省大量的能量, 因此有着良好的工程应用价值。目前混合控制装置主要
以下几种: (1) 主动质量阻尼系统 (AMD) 与调谐质量阻尼系统 (TMD) 或调谐液体阻尼系统 (TLD) 相结合的混合控制; (2) 主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制; (3) 主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。
4 有待研究的控制问题
结构控制这一课题, 近年来, 受到了多个领域的学者与专家的高度重视, 越来越多的控制专家投身于该研究中, 在理论上取得了不少新结果, 在应用上成功的例子也很多, 但仍有一些问题有待进一步深入探讨。
4.1 从控制器设计角度的建模与模型简化
由于结构系统维数高, 含有未建模动态特性及参数不确定性等, 研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的, 同时对于含智能材料的结构, 由于材料的强非线性, 对材料与结构间的非线性相互作用的辨识也需进一步研究。
4.2 结构控制中的非线性控制
研究带有滞回环及饱和的非线性控制问题, 这类问题本身在控制界有着广泛的兴趣, 另外智能控制如模糊控制等在非线性结构控制中会有很好的应用前景, 也值得深入探讨。
4.3 结构控制中的混合控制
不同类型的控制算法集成的研究即混合 (hybrid) 控制方式目前是控制界极受关注的问题, 在结构控制中研究主动与被动控制间的最优混合, 是具有实际意义的方向.此外, 利用一些主动控制算法进行结构设计参数的优化问题也值得进一步研究。
4.4 结构控制中的可靠性要求
许多结构控制问题对于可靠性要求很高, 而在正常条件下又无法对整个闭环系统进行实现证实控制方案的正确性, 如为提高建筑物的抗震能力而设计的结构控制器.这样, 探讨结构控制的实验证实方案是十分重要的问题。
5 结构控制技术的发展展望
经过诸多学者长期不懈的努力, 特别是在近十几年的时间里, 土木工程结构控制技术得到了全面迅速的发展, 呈现出一派生机勃勃的发展势头。展望今后一个时期内, 结构控制技术的发展趋势将是:
5.1 被动控制技术规范化实用化。将目前一些较为成熟并且已得到实际工程
证实的被动控制技术, 如基础隔振、耗能吸能减振等, 进行系统整理, 使之逐步规范化、实用化, 并编入新制订的结构设计规范中, 以推动其在工程实践中的广泛应用。目前在国内外这方面的工作已经有了一些进展。
5.2 加强对半主动控制和混合控制技术的实验研究以及试点工程的研究
半主动控制和混合控制技术是今后土木工程结构控制的重要发展方向, 因此应进一步加强对它们的实验研究以及试点工程的研究, 以验证其实际控制效果及可靠性, 并不断总结、完善, 以期尽快达到实用化的要求。虽然目前结构控制技术尚未在土木工程中得到广泛应用, 但由于其自身所具有的明显优势--“智能型”, 其良好的应用前景是毋须置疑的。结构振动控制在高层建筑和高耸结构还有较为广泛的发展前景。虽然, 在我国结构振动控制目前多数仅应用于高耸结构中, 但随着我国高层建筑特别是超高层建筑的发展, 必将给结构振动控制带来更为广阔发展空间因此有理由相信, 采用结构控制技术的智能型隔振减振结构将会是不久的将来人们的现实追求。
摘要：结构振动控制 (简称为结构控制) 技术, 就是指通过采取一定的控制措施以减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的反应。本文简述土木工程结构振动控制技术, 并提出需要解决的问题和对今后的发展趋势做了展望。
关键词：结构控制,发展趋势
参考文献
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加层减震结构振动台试验分析 篇5
本文针对一加层减震模型结构对隔震层上下部频率比进行优化设计,对隔震层采用侧移刚度偏小值、优化值和偏大值的加层减震模型结构进行地震模拟振动台试验.试验结果表明,经过参数优化设计的`加层减震模型结构有明显减震效果,在试验中使设防水准提高了一级,由直接加层的局部破坏到加层减震后的大震不坏;对于一般的加层减震结构,采用以最大限度地降低既有结构的层问位移为优化目标是合理的,具有普遍的工程意义.
作 者：郑国琛 祁皑 阎维明 ZHENG Guochen QI Ai YAN Weiming 作者单位：郑国琛,祁皑,ZHENG Guochen,QI Ai(福州大学,土木工程学院,福建,福州,350002)
阎维明,YAN Weiming(北京工业大学,工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京,100022)
刊 名：地震工程与工程振动 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年，卷(期)： 27(2) 分类号：P315.966 关键词：加层减震 频率比 侧移刚度 绝对加速度 层间位移 减震效果
结构振动控制 篇6
（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）
引 言
振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力和衡量减震、隔震效果的重要手段和方法。对于高层和超高层建筑，在理论分析还不完善的情况下，振动台试验是分析其抗震能力的一种有效手段。但由于振动台本身承载能力、试验时间和经费等的限制，对于高层建筑和超高层建筑只能进行缩尺模型试验。为了使模型试验能够准确地反映原型结构的动力特性，必须考虑模型和原型的各物理量的相似关系［1～3］。在结构振动台模型试验中，按照相似理论的要求，设计出与原型结构具有相似工作情况的模型结构［4，5］，但要严格满足相似似理论的全部条件，有时却很难实现，因此有必要对模型结构的相似关系进行研究，并探讨如何由模型试验结果来反映原型结构的动力特性，从而研究和评价原型结构的抗震性能。
本文以12层高层建筑框架结构振动台试验为例，探讨模型和原型结构的相似关系，采用有限元非线性分析软件MSC．Marc建立相关模型，并计算其在地震波作用下的地震反应，根据动力相似关系由模型地震反应反推原型地震反应，将模型反推值与原型计算值进行对比分析，研究原型结构的地震响应，从而验证模型结构动力相似关系的准确性。
1 结构动力相似关系
与结构动力模型相关的主要物理量有［6］：结构的几何尺寸L、结构的位移X、重力加速度g、地震加速度a、质量m、密度ρ、阻尼c、泊松比υ、速度v、转角θ、应力σ、应变ε、弹性模量E、时间t、刚度k、频率ω等。用量纲分析法可写出各物理量在质量系统下的各物理量的量纲矩阵如表1［7］。
表1 各物理量的量纲矩阵Tab．1 Dimensional matrix of each physical quantity
按照结构模型设计的相似理论，模型与原型必须具有相似的几何以及力学特征（平衡方程、物理方程、几何方程及边界条件等），即描述模型与原型的各个物理量间关系的数学方程应该相同［8］。这就要求模型与原型要做到几何相似、各个物理量间满足一定的相似关系。
在本次结构模型试验设计中，首先确定几何相似系数为SL＝Lp／Lm＝10、密度相似系数为Sρ＝ρp／ρm＝1、结构的弹性模量相似系数为SE＝Ep／Em＝3．76（本文S代表模型和原型各物理量的相似比，角标p表示原型，角标m表示模型），再根据E．Buckinghamπ定理导出其他各物理量的相似关系式和相似系数，见表2。
表2 模型结构的动力相似系数Tab．2 Dynamic similarity coefficient of model structure
模型试验设计时，模型所采用的材料要和原型材料的性能相似。本次试验模型用微粒混凝土来模拟原型中上部结构和支盘桩的普通混凝土，用镀锌铁丝模拟原型中的钢筋。其中，微粒混凝土的材料相似关系为：Sfc＝1／Sσ＝1／3．76。原型的混凝土等级为C30，则微粒混凝土强度等级为30／3．76＝7．98，取标号 M8；镀锌铁丝的材料相似关系为：与Ⅱ级钢相比：Sfy＝280／300＝0．933；与Ⅰ级钢相比：Sfy＝280／210＝1．33。
2 原型与模型的尺寸对比
原型结构为单向双跨12层框架结构，层高为3 m，总高为36m；柱子尺寸为500mm×500mm；框架梁截面尺寸为300mm×600mm；框架柱网（2个）为3．4m×5．8m；楼板板厚120mm；承台板尺寸为7m×8m×1m；支盘桩桩长为12m，支盘桩桩径为600mm，支盘盘径为1 400mm。按照相似关系进行模型结构设计，原型与模型结构的尺寸见表3。
表3 原型与模型尺寸对比Tab．3 Comparison of size between prototype and model
项目 原型 模型框架总高36m 3．6m框架柱网（2个） 6m×3．6m 0．6×0．36m框架梁截面（宽×高） 300mm×600mm 30mm×60mm框架柱截面 500mm×500mm 50mm×50mm楼板板厚 120mm 12mm承台板尺寸（长×宽×厚）0．7m×0．8m×0．1m支盘桩（直杆桩）桩长 12m 1．2m桩截面尺寸（桩径／盘径）7m×8m×1m Φ60mm／Φ140mm粉质粘土（厚度×直径）2．0m×30m 0．20m×3m砂质粉土（厚度×直径）10．5m×30m 1．05m×3m砂土（厚度×直径）Φ600mm／Φ1 400mm 3．5m×30m 0．35m×3m
3 振动台模型试验
该试验于2009年1月在同济大学土木工程防灾国家重点实验室内的MTS三向六自由度模拟振动台上进行。
3．1 模型制作
模型上部框架结构的梁、板、柱均设计为逐层现浇，施工中严格控制构件尺寸和微粒混凝土的配合比。同时模型所用材料均进行材料性能试验，实测材料性能参数。考虑试验的可操作性，动力相互作用体系振动台试验中模型桩基与上部结构采用装配式施工。即将承台板分为上下两部分，上半部分与上部结构一起制作；下半部分与桩一起制作。在下部结构埋入土中后，吊装上部模型结构，两部分间使用螺栓连接。振动台模型试验的施工图及制作完成后的模型见图1所示。
图1 模型施工图及完成后照片（单位：mm）Fig．1 Model structure of drawing and finished photo：（Unit：mm）
3．2 测点布置
试验中采用加速度计、应变计量测上部结构、桩和地基土体的动力响应，对上部结构还采用位移计来测量上部结构的侧移反应，在土中埋置孔隙水压力计量测土的孔隙水压力变化，采用土压力计量测桩土界面的接触压力。
3．3 加载制度
在进行高层建筑结构动力相互作用体系振动台试验之前，首先进行自由场试验，试验台面输入波形采用白噪声、EL Centro波和上海人工波，选择7个工况进行自由场试验。从而得到模型的自振频率、振型以及阻尼比。
自由场试验进行后，静置一天，然后吊装动力相互作用体系的上部结构，进行振动台试验。试验台面输入波形采用EL Centro波、上海人工波和Kobe波，共35个工况。在每次改变加速度输入大小时都输入小振幅白噪声激励，以观察模型的频率和阻尼比的变化情况。输入波形主要为X向激励，部分为Y向，部分工况同时输入X向和Z向激励。台面输入加速度峰值按小量级分级递增，按相似关系调整加速度峰值和时间间隔。
4 有限元分析几何建模
为了对高层建筑振动台试验模型和原型进行对比研究，验证动力相似关系的准确性，需建立原型的有限元分析模型，用来和模型试验值进行对比分析。因此本文采用大型非线性有限元分析软件MSC．Marc对原型结构建立有限元分析模型。
有限元分析软件MSC．Marc具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性结构分析，并提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库。分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术［9，10］。
在用MSC．Marc进行几何建模时要充分利用结构的对称性，这样可以使结构的有限元模型以及相应的计算规模得到缩减，从而使数据准备工作和计算工作量大幅度地降低［11］。本次建模的桩－土－高层建筑结构动力相互作用体系的几何关于X轴对称，外加地震波动荷载也关于X轴对称，Y＝0平面是该结构体系的对称面。因此几何建模时利用对称性原理，取1／2的原型结构作为研究对象。在对称面上加对称边界条件，以此来保证和实际的边界条件相符合。
建模中，土体、桩、承台以及上部结构均采用三维六面体单元。上部结构划分单元时在梁板柱结点处须保证相邻单元共节点，承台与柱连接处相邻单元也须共节点；土体自上而下分3层划分单元，单元划分时使相邻两层土体的单元共节点，从而保证3层土体单元Merge后是一个整体；支盘桩的单元划分也须保证支盘与直杆交接处单元共节点。原型有限元分析模型如图2所示。
图2 原型有限元分析模型Fig．2 Finite element analysis model of prototype
5 模型与原型结构动力响应的对比
采用大型非线性有限元分析软件MSC．Marc对该高层建筑结构进行有限元动力分析，数值模拟分析时输入EL Centro波，将波的最大幅值调至相当于7度多遇下的加速度峰值，原型结构为0．035g，模型为0．093g。原型结构计算分析时间为16s，时间步长为0．08s，地震波输入方向为X方向。本文仅对在EL Centro波作用下模型结构与原型结构的动力特性和动力响应进行对比分析。
5．1 自振特性对比
原型和模型的前10阶频率对比列于表4。由表4可知：原型结构的计算值与模型反推值（即将模型的自振频率按相似关系反推到原型的自振频率），两者的误差均小于1%，说明模型结构的自振频率能够很好地反映原型结构的自振频率，通过振动台模型试验完全可以用来研究原型结构的动力特性。
由模型试验得到的振型曲线如图3（a）所示，图3（a）中的“1WN”是输入第1工况的白噪声，“12WN”是第12工况的白噪声，以此类推。对原型结构进行模态分析，得到如图3（b）所示的振型图，由图3可知模型与原型结构的振型具有较好的相似性，因此可由模型的振型推算原型结构的振型。
表4 结构自振频率对比Tab．4 Contrast of self－vibration frequency for structure
图3 模型试验与原型计算振型对比Fig．3 Contrast of model of vibration between model and prototype
5．2 加速度对比
图4（a）为模型结构顶层在EL Centro地震波作用下的加速度时程曲线，图4（b）为原型结构顶层在EL Centro地震波作用下的加速度时程曲线。图4（a）与（b）曲线变化趋势相同，横轴为时间轴，纵轴为加速度轴。根据模型结构动力相似关系，将图4（a）中横坐标扩大St＝5．157倍，纵坐标缩小Sa＝0．376倍，即将模型加速度反应按相似关系反推到原型结构的加速度反应。图4（c）为模型结构顶层加速度按相似关系的反推值与原型计算值的对比，由图可知模型反推值与原型计算值符合较好。
图4 EL Centro波作用下模型与原型顶层加速度对比Fig．4 Contrast of acceleration between top model and prototype under EL Centro ground motion
通过结构楼层层间最大加速度来对比研究高层建筑结构原型与模型，验证加速度相似关系的正确性。图5（a）为模型在EL Centro波作用下楼层最大加速度值，图5（b）为原型在EL Centro波作用下楼层的最大加速度，将模型加速按加速度相似关系反算到原型结构，即将模型加速度乘以加速度相似系数Sa＝0．376，可得到由模型反推的原型结构楼层最大加速度值，将反推值与原型计算值对比，如图5（c）所示，可见模型反推到的原型与实际原型的计算结果非常接近，具有很好的可比性。说明振动台试验结果及破坏现象可以与原型建筑物相比。
图5 EL Centro波下作用下楼层最大加速度Fig．5 The maximum acceleration of floor under EL Centro ground motion
5．3 位移对比
模型顶层在EL Centro地震波作用下的位移时程曲线如图6（a）所示，图6（b）为原型顶层在EL Centro地震波作用下的位移时程曲线，图6（a）和（b）中结构顶层位移曲线的变化趋势相同。将图6（a）中横坐标按时间相似关系扩大St＝5．157倍，纵坐标按线位移相似关系扩大SX＝10倍，所得值与图6（b）相对应。将模型反推值与原型计算值对比，如图6（c）所示，二者非常符合，从而验证了位移相似关系的准确性，因此可以由模型的位移反应来反推原型结构的位移反应。
图6 EL Centro波作用下模型与原型顶层位移对比Fig．6 Contrast of displacement between top model and prototype under EL Centro ground motion
在EL Centro波作用下，对比高层建筑结构原型与模型的楼层最大侧移，图7（a）为模型结构楼层在X向的最大侧移值，图7（b）为原型结构的楼层最大位移值，将模型结构的楼层最大位移按照位移相似关系乘以相似系数SX＝10可推得原型结构的楼层最大位移，并将其反推值与原型结构计算值对比，如图7（c）所示，可见由模型反推得到的位移值和原型计算值相符合。
图7 EL Centro波作用下结构楼层最大位移Fig．7 The maximum displacement of the structure under EL Centro ground motion
5．4 剪力对比
图8 EL Centro波作用下结构层间剪力对比Fig．8 Contrast of interlaminar shear under EL Centro ground motion
6 结 论
（1）对比模型和原型的前10阶自振频率，模型反推值和原型计算值符合较好；由模型试验得到的振型曲线和原型的模态分析得到的振型相似性较好，故可采用模型试验结果来研究原型结构的动力特性。
（2）按相似关系，由模型反推得到原型的加速度和按原型结构的计算值相符合，对于框架结构的加速度放大系数也有较好的相似性，结构顶层最大加速度放大系数：模型为2．09，原型为2．01。
（3）按相似关系由模型推导的原型结构顶层最大位移为21．66mm，按原型结构计算的结构顶层最大位移为20．36mm，二者误差不大，水平总位移角为1／1 662，满足最大层间位移角1／550的要求［12］。
（4）根据相似关系反推得到的原型结构底部的剪力为116．386kN，按原型结构计算分析得到的为116．593kN，可见其剪力也相当符合。
通过上述对高层建筑结构模型和原型的频率、振型、加速度、位移和剪力的对比分析，验证了基于E．Buckinghamπ定理导出的动力相似关系的准确性，振动台模型试验可以真实地反映原型的地震响应，可以根据模型的试验结果对原型结构进行抗震性能的评估。
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结构振动控制 篇7
土木工程伴随着人类社会的发展而发展。随着科学技术的不断进步, 人类在抵抗各种自然灾害的问题上也取得了一定的进步。然而在伟大的自然面前, 人类仍旧渺小。我们需要更加先进的技术和更加完备的设施来抵抗灾害的侵袭。传统的防震技术的作用效果和安全性能十分有限, 如果地震发生, 结构无法支持, 很有可能破坏严重, 甚至带来极为严重的生命财产损失。因此, 土木工程结构振动控制技术的研究发展十分重要。
1 土木工程结构的减振工作原理
对于消耗能量的减振结构而言, 具体是指土木工程结构的抗侧力装置, 在该装置内部安装有效能量消耗零部件, 进而实现减振目的。如果土木工程结构遭遇地震并受到能量侵蚀, 能量消耗零部件及其装置会产生弹塑性, 滞回变形, 以此来吸收和消耗因地震所带来的能量, 并减小对土木工程结构主体结构的影响程度, 进而实现减振和震动控制的目的。由此可知, 减振工作原理与传统正好相反, 这也是技术领域中的突破性成就。其主要的工程结构振动控制原理如图1所示。
2 结构振动控制技术的研究现状
2.1 被动控制
被动控制是通过改变建筑结构自身一些构件的构造和结构体系的动力学特征, 或者在结构的某个部位附加一个子系统, 来实现减振的目的一种不需要外部能源的结构控制技术。由于其结构简单、造价低廉、易于维护且无需外部能源支持, 目前已成为建筑与结构设计的热点, 许多实际工程中也已经广泛应用。被动技术主要包括基础隔振技术和耗能吸能减振技术。
基础隔振是在结构的上部与基部之间设置一种隔振消能装置的控制技术, 是被动控制的一种, 它主要通过减小地震时向地表传输的能量, 来减小结构的振动。基础隔振能明显降低结构的自身振动频率, 非常适用于中低层建筑, 但由于隔振只对高频率的地震波有效用, 所以对高层建筑并不适用。
吸能减振是通过附加子结构, 使结构的振动位移, 能量重新分配, 从而减小结构振动。耗能减振是在结构体的某些部位, 如节点和支撑部等设置耗能阻尼机构。继而通过这种机构对结构施加控制力, 快速减小结构振动。耗能减振和吸能减振的装置主要有摩擦阻尼器、粘性液体阻器、调谐质量阻尼器、金属屈服阻尼器、质量泵和液压质量控制系统等。
2.2 主动控制
主动控制是一种需要外部能量供给的控制技术。是否具有能量耗损和完整的反馈控制回路是其与被动控制技术的主要区别。尽管主动控制技术更为复杂、造价昂贵并且难以维护, 但对于高层建筑建筑而言, 主动控制具有更好的防震效果。主动控制应用了现代尖端的结构控制技术, 对结构振动情况实施实时追踪和预测, 令结构设计与系统性能达到最佳。主动控制技术分为控制力型和半主动控制型两种。
结构主动控制是利用外部能源在结构振动时对结构施加一个较强的控制力, 此时通过传感器将监测得到的信息导入计算机内, 由计算机根据设定好的计算公式算出应施加的力的具体信息, 最后, 由外部能源提供能量, 施加给结构其所需控制力, 进而快速起到减小结构振动的效果。由于主动控制的实时控制力完全自主可控, 因此其对比于被动控制, 防振效果十分明显。控制力型的主动控制装置主要有主动拉索系统、主动支撑系统、主动质量阻尼系统和主动空气动力挡风板系统等。
半主动控制属于参数控制, 其作用机理和优缺点均介于被动控制和控制力型之间。半主动控制过程依赖于结构的反应情况和外部的激励信息, 通过用小功率能源调整结构的动力参数来减少结构的振动, 与控制力型相比, 半主动控制具有所需外部能量较小、维护要求不太高、更为经济等优势, 而且作用效果又与前者很接近, 因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值。磁流变液态阻尼器和电流变液态阻尼器是半主动控制系统未来研究发展的方向。
2.3 混合控制
混合控制是相对于被动控制和主动控制而言的研究新突破。它将被动控制和主动控制有机结合到同一建筑工程中, 使二者协调起来共同工作。将二者结合起来看似简单, 实则需要无数次的尝试与磨合。此系统充分融合了被动控制系统与主动控制系统的优点, 既可以通过被动控制系统卸掉震动能, 又可以利用主动控制系统来增强控制效果, 因此有很好的建筑工程应用价值。目前混合控制所用的控制装置已有许多种类, 其迅猛发展的势头锐不可当。
2.4 结构控制研究中的待解决问题
经过多年以来的刻苦研究和辛勤实践, 结构的抗震、减振设计研究取得了飞跃性的成就, 也受到了更多各领域科研工作者们的关注与重视。然而科学研究不能一蹴而就, 科技发展也并非是朝夕之事。在看似成果斐然的土木工程结构振动控制领域取得的成就背后, 仍有许多技术不成熟之处, 这些问题犹待解决。如从控制器设计角度的建模工程与模型的简化;如何降低能耗和造价, 使工程简便且不失可靠性和安全性;综合考量各项外界因素, 增强控制的持久力和安全性;完善抗震防护体系作用力的具体计算方式;与其他学科的新技术和新成果有机结合, 促进土木工程结构振动控制技术向智能化发展。结构控制技术是一项复杂严密且与人民生命财产安全息息相关的细致研究, 因此相关科研技术人员和机构要做好研究工作。
3 振动控制技术简析
3.1 隔震的相关地基的建筑材料
在土木工程建设的过程中, 地基材料所使用的材质不一样, 因此, 在地震过程中的地震波的反应也不尽相同。因此, 在土木工程建设的过程总, 要使用特殊的材料对其地基进行相应的处理, 这样才能减少震波的反应, 进而减少相关的建筑物在地震过程中的震感。相对于传统的土木工程来说, 其地基经常使用粘土以及砂子进行相应的垫层施工, 随后, 也有相关的建设工作人员使用糯米进行垫层来对抗震进行相应的研究。经过大量的研究之后, 各种实验数据分析得出以沥青为其原料的材料进行相应土木工程隔震设置的效果非常好。
3.2 基础隔震
隔震的相关结构。在减少地震波的时候, 其主要的部分就是建筑的最基础的部分, 从土木工程最基础的部分设置相应的隔震, 阻止其震波由底层传至建筑的上部分结构, 这样在相应的程度上能够减少地震对整个土木工程结构的伤害, 甚至消除其对工程的结构威胁。在土木工程建设的过程中, 将其基础以及上部的结构设置相应的隔震部分, 对于整个工程来说, 在其投入使用的过程中, 在底层使用隔震的装置效果相对较好, 出现这一现象的原因在于高层建筑结构设置隔震装置过程会延长建筑结构的自振周期, 从而出现隔震效果弱化的现象。现阶段关于基础隔震的进步与发展日益趋于多样化与完善。
3.3 耗能减震
耗能减震具体是在建筑结构的空间, 层间等部位装设消能装置, 如果地震等级较低, 建筑结构自身会协同各个部位的消能装置, 维持建筑结构的弹性状态规避地震的影响, 减小地震的危害程度。如果地震的等级较高, 增加建筑结构自身的形变程度, 并协同消防装置内部的大阻尼, 有效吸收和消耗地震能量, 并将其转换成热能的形式传输至外界, 这能够显著降低地震对建筑结构的影响, 维持建筑结构的弹性形态, 此种技术主要具有以下特点:
安全性和可靠性较高, 借助耗能装置有效吸收和消耗地震能量, 进而保护建筑物的主体结构;经济且环保。这主要是因为此装置中采用了柔性性能, 可缩减剪力墙数量和配筋断面;应用范围广泛, 此种装置可应用在工厂、办公大楼中;维护经费较低。如果装设耗能减振装置, 需要定期维护, 进而保障其正常运行。该装置和其余减振装置相比, 维护经费相对较低。
例如在我国某市地区内的一个重点建筑, 其主楼高57.8m, 地上13层 (两侧的塔楼为16层) , 地下一层, 建筑面积为1418815平方米, 采用中央空调系统。该建筑采用钢筋混凝土筒体-框架结构, 抗震设防烈度为9度, 结构安全等级为二级, 抗震设防分类标准为二级。原结构采用筒壁厚450mm, 底层框架柱截面为800mm*800mm, 框架梁高800mm。抗震计算表明, 原结构在多遇、罕遇水平地震作用下都不能满足要求, 且梁、柱的配筋率很高, 施工困难。
经技术经济比较, 决定采用粘弹性阻尼器的耗能职称, 结构的自振基本频率由原来的1.1Hz提高到1.16Hz, 即结构的抗侧刚度比原来的稍小。
3.4 悬挂隔震
悬挂隔震的原理是阻止地面的地震波传递至建筑主体结构, 防止主体结构受到损坏。可见悬挂隔震装置结构很大部分的质量甚至是全部质量均悬挂在地面上, 地震到来时, 建筑结构上层的分离导致无惯性力产生, 从而达到显著隔震的目的。悬挂隔震技术适用范围没有其他技术的应用范围广泛, 钢结构, 大型钢结构是其主要的使用结构, 又分为主框架和子结构两部分, 悬挂子结构, 主框架结构便与子结构分离。当地震波到达悬挂部位时, 地震能量大大减少, 有效控制了地震的传递, 减少建筑在地震中的损害。
3.5 混合控制
混合控制, 可以将其简单地理解为主动控制和被动控制的融合, 这种控制技术具有设计繁琐的特点, 这种振动控制技术被广泛地应用在日本建筑结构设计中。在具体的设计过程中, 应多次深入调查建筑物所处地区的地震情况并全面勘查地质条件, 掌握各种信息, 优化调整控制系统, 进而实现防震抗震的目的。这种控制技术有效融合了主动控制和被动控制中的优点, 然而其工程造价较高, 在我国很少应用。
4 振动控制技术的展望
在近十几年的时间里, 经过诸多专家学者们长期不懈的艰苦努力, 土木工程结构振动控制技术得到了全面迅猛的发展, 呈现出一派生机勃勃的发展势头, 在今后一段时期内, 结构控制技术的发展趋势将是被动控制技术规范化与实用化和加强对半主动控制和混合控制技术的实验研究以及试点工程的研究。尽管在我国目前的土木建筑工程领域中, 结构控制技术基本上还仅仅应用于高层建筑结构设计之中, 但随着我国高层建筑特别是超高层建筑的飞速发展, 必将给结构振动控制技术带来更为广阔的发展空间。因此, 由于土木工程结构振动控制技术自身所具有极为明显的优势, 其未来拥有良好的应用前景是毋须置疑。
5 结语
土木工程结构振动控制的研究与应用有着十分广阔的广泛的发展与应用前景, 它的研究和发展将会给土木工程结构领域的抗震、抗风等抵抗不可抗力灾害的建筑设计带来一场前所未有的历史性革命。近年来土木工程结构振动控制技术的研究与应用已取得了长足的发展与进步。由此看来, 在对抗地震、强风等自然灾害的问题上, 土木工程结构控制起着至关重要的作用。因此, 我们对土木工程结构振动控制技术未来的成就十分期待。
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结构振动控制 篇8
近年来, 人们的安全意识逐渐增强, 因此, 建筑结构的隔震、减振和振动的控制应用越来越广泛, 随着多年的发展与完善, 其已经能很好地融入到工程中, 结合具体工程来设计施工方案。而且, 在相关的设计规范中, 也新添加了专门有关隔震以及消能的部分。国际上也会定期进行会议探讨, 对其进行研究和改进。因此, 分析建筑结构的隔震、减振和振动的控制策略刻不容缓。
二、建筑结构的隔震及消能减震的原理
在传统的建筑结构设计中, 以小震不能破坏, 且可修复, 而大震中不倒塌为标准来进行设计, 建筑结构靠着自身的变形来对地震的能量进行消耗和吸收。这种标准的建筑结构在遭遇小型甚至中型地震时都能达到很好的隔震及减振效果, 但是, 在这种标准下, 即使设计时非常严格, 在遭遇超过一定强度的大地震时, 还是不能很好地保障建筑结构的安全性。因此必须探索出打破传统模式的新体系。
(一) 建筑结构的隔震原理。
建筑结构在实际设计中可分成三个部分, 包括上部结构, 隔震层以及下部结构。采用这样的设计, 当遭遇地震时, 地震的能量首先通过下部结构传到隔震层, 由隔震层负责吸收和消耗大部分地震能量, 最后传到上部结构的地震能量仅仅占地震能量的很小一部分。
同时上部结构由于隔震层的影响, 周期发生改变, 很大程度上减少了上部结构对地震的响应, 保证了上部结构的安全。
(二) 耗能减振原理。
通过在建筑结构抗侧力构件中设置耗能部件来进行耗能减振的结构, 称为耗能减振结构。当发生地震时, 会产生巨大的能量, 当这些能量传到建筑物时, 耗能装置以及耗能部件就会产生弹塑性变形来使建筑物的变形滞回, 从而达到吸收和消耗由地震传来的能量, 降低主体建筑结构所承受的能量的目的。这与传统建筑中一味加固建筑来抵抗地震能量的原理正好相反。
三、建筑结构的振动控制策略
在传统的建筑抗震设计中, 所使用的原理就是加强建筑结构自身的强度, 来抵抗地震带来的能量, 这种设计方式虽然能够抵御一定强度的地震, 但是当遭遇强度稍微大一点的地震时, 其作用就无法体现, 这种消极被动的方式不会长久。因此, 研究人员通过科学有效的方法来进行抗震设计, 即利用在结构上施加振动控制系统来进行抗震。而振动控制又分为四种, 包括被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制。
(一) 被动控制。
所谓的被动控制, 是一种不借助外力的振动控制技术, 它的原理是在建筑结构的某一个部位添加一个子系统, 或者对建筑结构自身的构件进行特殊处理, 达到改变结构的动力特性的目的。被动控制目前是抗震结构应用热点, 而且被动控制技术已经接近完善。而被动控制技术又可细分为两大类, 一类是基础隔震, 另一类是耗能减震。基础隔震就是通过在建筑物上或者其基地上设置一个控制机构, 将由地震传上来的能量进行隔离, 以降低结构自身所承受的能量, 防止破坏。摩擦滑移隔震技术、支撑式摆动隔震技术以及滚珠和滚轴隔震等技术是目前研究的主流。耗能减震就是在建筑结构的层间、连接缝以及节点等位置装上消能装置。当发生小风天气或者发生低强度地震时, 所安装的消能装置可以同建筑结构协同工作, 使建筑结构保持在弹性状态, 不会对正常使用造成影响。当风力较大或者发生较大强度的地震时, 消能装置能够大量吸收和消耗建筑结构所受到的风力或者地震能量, 从而使这些能量以热能的方式转化掉, 保护建筑结构不被破坏。当前应用最多的耗能装置有很多, 比如, 摩擦耗能减振装置、金属阻尼器以及复合型耗能器等等。
(二) 主动控制。
主动控制与被动控制之间存在着较大的差异, 或者说截然不同, 它主要利用作用力与反作用力原理, 来对不良受力进行抵消, 以达到减震的目的。运用此种减震控制技术时, 首先利用传感器对建筑结构所受到的外部刺激进行检测, 然后通过计算机对检测数据进行分析, 计算出所受外部力的大小, 最后, 通过外部能源制造出所需要的力。主动质量阻尼、主动拉索以及主动支撑等系统都是目前研发的重点。
(三) 半主动控制。
半主动控制主要是利用控制机构对建筑结构的各项参数进行自动调节, 从而达到减震的效果。此种控制系统并不需要太多的外部力量, 不需要使用强大的电流, 仅仅依靠蓄电池就可以完成工作。一般情况下都是使用开关对半主动控制进行操控, 当需要改变建筑结构的动力特性时, 就可以利用开关来改变控制系统的工作状态来实现建筑结构动力特性的改变。可变刚度系统、可控摩擦时隔振系统以及可变阻尼系统都是目前应用比较广泛的半主动控制装置。
(四) 混合控制。
将主动控制与被动控制相结合的控制技术, 称为混合控制。混合控制综合了主动控制与被动控制的优点, 既可以通过被动控制来大量消耗地震能量, 同时又可以利用主动控制装置保障控制效果, 因此混合控制的应用价值非常高。混合控制包括很多种类, 比如主动质量阻尼系统混合调谐液体阻尼系统进行控制, 还有将主动控制装置和阻尼耗能装置相结合的控制装置等。
四、综合分析四种控制策略
在上述四种建筑结构的隔震、减震和振动控制策略中, 控制效果最好的要数主动控制, 但是其应用程度却要明显少于其他三种技术。原因在于建筑结构体型庞大, 因此所需外部能量过大, 而且计算过程非常复杂。被动控制是目前发展速度最快, 应用范围最广的控制技术, 主要得益于其低廉的造价, 以及良好的减震效果。半主动控制是介于主动控制与被动控制之间的一项技术, 其控制精度较高, 造价低于主动控制并且不需要太大的外部能源进行支持, 其发展前景非常广阔。混合控制技术融合了多种技术的优点, 其应用程度以及发展前景都非常可观。由于近年来国内地震频发, 使得各界人士对建筑结构的隔震、减振和振动控制技术的研发引起了高度的重视, 也使得振动控制技术得到了大力的发展。
五、结语
我国的经济正在飞速发展, 对于抗震的研究也越来越深入, 如今已经研发出了很多切实可行的, 能够有效加强建筑结构的抗震能力的方法, 但是研究的道路永远没有尽头, 如今还有很多问题等待人们去探索, 为了解决这些问题, 必须加强探索地震中的建筑结构的控制规律, 在人们不懈的探索之下, 建筑结构的隔震、减振以及振动控制的技术会越来越成熟, 一定会使建筑结构更安全, 抵御地震灾害, 使人们住得更安心, 更舒适。
摘要：我国经济目前正处于高速发展状态, 城市化进程加快, 从而促进了建筑业的发展, 但是, 随着国民生活水平的不断提高, 人们对建筑物的要求也越来越高, 除了外观之外, 更加关注建筑物的安全性以及耐久性。我国地广人博, 有些地区地震频发, 因此对建筑隔震、减振和振动控制的钻研也越来越活跃。本文通过对建筑结构的隔震、减震和振动的控制进行分析, 提出一些行之有效的控制策略, 旨在保证建筑的抗灾害能力。
关键词：建筑结构,隔震,减振,振动控制
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结构振动控制 篇9
航天器中的许多重要结构，如空间站的舱体、太阳能帆板、空间可展开反射器等，具有重量轻、高柔性和固有频率低的特点，它们在空间运行时，受到各种外力的扰动，从而引发结构的振动。结构振动主动控制技术相对于传统的被动控制技术具有控制效果好、精度高、能够有效处理外部干扰等诸多优点，存在巨大的工程应用价值，因此该领域的研究得到了国内外学者的广泛关注[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。
目前已有许多现代控制方法应用于结构振动主动控制。张宪民等[1,2]在含有压电元件的弹性机构振动有限元模型基础上，基于复模态理论，采用鲁棒H∞控制器控制系统的弹性振动。Sharma等[3]基于独立模态空间控制和模糊逻辑控制研究了悬臂板结构的振动主动控制，并对这两种方法进行了比较分析。Adrian等[4]应用模型预测控制技术设计振动主动控制器，控制器可以设定作动器所允许的范围并能在线计算控制输入。Li等[5]应用基于模型的模糊控制策略研究参数不确定系统的鲁棒振动控制并进行了薄板振动控制实验。Ma[7]采用自适应非线性控制策略抑制压电悬臂矩形板的振动响应。文献[8,9]利用滑模变结构控制研究了结构和机构的振动主动控制。但是，研究者所提出的控制方法均是基于理论模型的，没有考虑实际结构与理论模型的误差及外界环境的影响。
本文以压电柔性悬臂梁为研究对象，考虑实际系统的模型误差、外部载荷环境不确定性以及测量噪声等所引起的结构不确定性(这种模型扰动和外部干扰会影响甚至破坏结构系统的稳定性和其他性能)，采用μ综合方法设计振动主动控制器并进行实验研究。
1 系统模型
假设结构配置了Na个压电陶瓷作动器，Ns个电阻应变片传感器，采用有限元法可建立柔性结构的运动微分方程：
式中，M、C、K分别为系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;U为系统位移列向量;Vin为作用在作动器上的控制电压;y为应变片的输出;Da为作动器分布控制矩阵;Ds为传感器分布的输出分布矩阵;F为作用在结构上的外部干扰。
应用模态技术处理，引入变换：
式中，ψ为振型矩阵;η为振型坐标列阵。
将式(2)代入式(1)，考虑实际控制过程中不可能对所有模态全部施控，而且高阶模态的影响通常很小，在此只对前c阶主模态加以施控，则它们变为
式中，Cc、Kc为c×c对角矩阵，它们由系统固有频率和阻尼比决定;ηc为受控模态的振型坐标，由η的前c个元素构成;ψc为受控振型矩阵。
定义受控状态变量为
则式(3)可以写成状态方程形式
其中，Ic为c×c单位矩阵;0ac、0sc分别为c×Na、Ns×c零矩阵。
2 鲁棒控制器设计
由于柔性结构系统存在不确定性扰动和量测噪声，所以系统结构参数也存在不确定性，鲁棒控制能较好地解决这些问题。从鲁棒控制的角度来看，抑制柔性结构的振动响应就是抑制扰动信号(如外部干扰和量测噪声)对系统输出的影响，根据H∞控制理论，这就是最小灵敏度问题。根据柔性结构模型，可以建立图1所示的动态闭环系统，其中，Nc为外部干扰项，Wd为该信号加权函数，Nn为量测噪声，Wn为量测噪声加权函数，z为评价信号，Wper为评价信号加权函数。为了限制作动器控制电压的允许范围，使用加权函数Wact对该信号进行惩罚。在设计控制器时，根据被控对象的实际物理意义，选择被控模态位移ηc为评价信号，则系统评价信号可以表示为
其中，,INa为Na×Na单位阵，0c、0Na分别为c×c、Na×Na零矩阵。
外部干扰信号w包括外部扰动信号和量测噪声，可以表示为w=[NcNn]T。式(5)和式(6)组成了广义被控对象。
在频域内设计控制器。为了形成鲁棒控制问题框架，需要根据实际信号的频率特性进行加权处理，外部输入信号包括干扰项Nc和量测噪声Nn，根据它们的幅值和频域特性，它们的加权函数Wd和Wn分别设为
其中，Nmax为外部干扰信号最大幅值;fd(s)表示该信号的频率特性;Mn为量测噪声的幅值;fn(s)为量测噪声的频率特性。加权函数Wd是为了规范干扰项的幅值。
为了限制作动器的幅值和频域特性，对作动器的输出进行加权处理。设作动器最大允许值为Vmax,fact为该信号的频率特性，则加权函数Wact为
与系统性能有关的评价信号是模态位移，其加权函数为Wper，根据系统性能要求，它设为
式中，P1为加权系数。
fper(s)可表示为
其中，ω1～ωc的值分别比前c阶系统固有频率稍大，也就是说，在控制器的作用下，频率在小于前c阶的频率范围之内的输出信号会得到衰减。
联合式(5)～式(10)可以得到传递函数形式的广义被控对象模型P:
由于在建立系统模型时，系统的结构参数难以得到精确值，在此考虑系统固有频率ω、阻尼比ζ和作动器压电力矩参数g的不确定性(Δω、Δζ和Δg分别表示ω、ζ和g的不确定性)，则系统状态方程系数矩阵的不确定性描述为
式中，Ac(Δω，Δζ)、Bc(Δg)为实际的系数矩阵;Ac、Bc为系数矩阵的标称值;ΔAc(Δω，Δζ)、ΔBc(Δg)分别表示有界的不确定性。
为了利用μ综合方法设计控制器，不确定性ΔAc和ΔBc可以描述为
其中，DA、EA、DB和EB分别为表示不确定性结构的常数矩阵;δA(Δω，Δζ)和δB(Δg)分别为未知的不确定性参数，表示在不确定性结构下的有界摄动;‖·‖表示矩阵的最大奇异值。
结合前面所描述的性能指标和广义被控对象，μ综合增广模型如图2所示，其中，虚线表示假想摄动，用δF表示，[δAδB]为实际摄动，形成对角块不确定性矩阵δp，形成一个标准μ综合框架，可采用D-K迭代法求得最优的反馈控制增益矩阵H[10]。
3 振动控制实验研究
3.1 实验配置
振动控制实验配置如图3所示，该实验装置也可用于高速运行的机构振动控制实验。悬臂梁长300mm，宽20mm，厚1.5mm，材料为钢，其弹性模量、密度和泊松比分别为210GPa、7800kg/m3、0.3。悬臂梁单元、节点、作动器和传感器分布如图4所示，Ni(i=1,2，…，8)为节点编号，Ej(j=1,2，…，7)为单元编号;各个梁单元的长度分别为50,40,40,40,40,40,50mm;A1、A2、A3分别表示放置于单元E2、E4、E6的三对作动器，其中A1、A2用于产生控制输出，A3用于产生外部干扰;S1、S2分别表示放置于单元E3、E5中点的应变片。作动器为PZT-5H压电陶瓷片，其长度、宽度、厚度分别为40mm、20mm、0.5mm，压电常数d31为200×10-12 m/V，弹性模量和密度分别为120GPa、7650kg/m3。电阻应变计为中航电测公司产品，为温度自补偿型BE120-3AA(11)电阻应变计，其标称阻值为120Ω，灵敏度系数为2.17。力锤是PCB公司产品，型号为Model086C03，测量范围为0～2225N，灵敏度系数为2.44mV/N。加速度传感器采用Kistler 8690C50型压电式加速度计。动态信号采集系统为ZonicBook/618E,8通道动态信号输入，每通道分辨率为16bit，最大采样率1MHz。功率放大器是由哈尔滨芯明天科技公司产品，型号为X-505.00，放大倍数为15，由于实验使用了3对压电陶瓷片，故采用三路功率放大器分别驱动。
1.信号发生器2.悬臂梁3.加速度传感器4.动态信号采集系统5.力锤6.动态应变仪7.应变片8.压电陶瓷片9.DS1103接线板10.工控机11.电桥盒12.功率放大器
3.2 实验模态测试
结构的阻尼比难以通过有限元方法获得，需要借助实验模态测试得到。采用脉冲锤击法进行实验模态测试。用力锤对悬臂梁进行敲击，产生一个宽频带的激励，固定敲击位置，测量7个不同位置的加速度信号。为了消除噪声干扰，采用多次平均，设每个测点的测量次数为5。使用ZonicBook/618E得到激励点和各测量点的时间历程数据，利用eZ-Analyst软件求出各测点的频响函数。采用ME’scopeVES对这些频响数据进行曲线拟合，得到拟合后的图形(图5)，得到系统的固有频率和阻尼比。由实验得到的前2阶固有频率、阻尼比和有限元计算得出的固有频率(表1)可以看出，有限元计算值和实验值相对误差接近于2%(一阶)和3%(二阶)，这是由于建立有限元模型时忽略了压电陶瓷片的影响，另一方面在进行实验模态测试时加速度传感器的质量对系统测试结果也有影响，所以应用于控制器设计的模型和实际系统存在误差，也就是说存在模型不确定性。
3.3 数值仿真分析
为了说明控制器的有效性和鲁棒性，首先进行数值仿真分析。在设计μ控制器时，设D-K迭代次数为10。图6所示为确定μ控制器时，D-K迭代次数和结构奇异值μ的关系，“*”表示对应每一次迭代的μ值。从图6可以看出，在使用D-K迭代法进行μ值计算过程中，μ值逐步减小，直至满足迭代要求为止。迭代完成后，得到最小的μ值为0.8337，它小于1，满足μ综合要求。
下面从频域角度分析控制器的有效性和鲁棒性。在设计μ控制器时，设前2阶系统固有频率ω、阻尼比ζ和作动器压电力矩参数g的不确定性范围分别为Δω∈[-0.005ω，0.005ω]、Δζ∈[-0.005ζ，0.005ζ]、Δg∈[-0.005g,0.005g]。由于振动控制的目的是为了抑制外部干扰对传感器输出应变的影响，所以可以通过分析比较无控制与有控制两种情况下由外部干扰到传感器输出应变的传递函数频响幅值来说明控制器的有效性。为了分析控制器的鲁棒性，从不确定系统中随机取40个样本进行分析。下面将由传感器S1和S2输出的应变分别称为应变1和应变2。图7和图8分别为在无控制器与有控制器情况下，由外部扰动到传感器输出应变1和应变2的传递函数频响幅值曲线。可以看出，在控制器的作用下，扰动到应变1的传递函数幅值从-50dB减小到-109dB，扰动到应变2的传递函数幅值从-45dB减小到-103dB，说明有控制器作用的响应受扰动的影响比无控制器作用时的影响更小。分析图7、图8所示结果可以得出以下结论：(1)在控制器作用下，由外部扰动到传感器的输出应变的传递函数频响增益都比无控制器情况下的低，说明设计的控制器能够抑制干扰对输出应变的影响;(2)通过40个样本的分析，控制器能在系统不确定性情况下满足控制要求，说明控制器具有鲁棒性。
3.4 振动主动控制实验
压电智能结构振动主动控制系统组成如图1所示，其基本原理是：在振动控制对象结构上粘贴一定数量的应变片，电阻应变片与动态电阻应变仪通过1/4桥路连接，动态应变仪将被测点的应变信号转换成电压信号传送至数据采集卡，采集到的数据以实时方式传送给dSpaceDS1103进行处理，按照所设计的控制器实时计算所需的控制电压，实时计算得到的数字量经过数模转换模块输出，由于D/A转换模块输出电压范围为-10～10V，故需经电压放大器放大后施加给压电陶瓷片，完成对系统的控制。为了满足实时控制要求，实验利用Mathworks公司的Simulink、Real-Time Workshop技术进行编程。Real-Time Workshop将Simulink模型自动生成的C语言代码打包并编译成dSpaceDS1103能运行的程序。
动态应变仪增益设为1000，供桥电压为6V，滤波器截止频率为100Hz。模拟输入和输出端口采样频率为1000Hz，选择Dormand-Prince作为求解器，类型为固定步，采样周期设为0.001s，实时控制的时间为1s。设计μ控制器，量测噪声最大幅值设为Mn=1×10-4，外部干扰由信号发生器产生一个随机信号作用在作动器A3上，其最大幅值Nmax=150。对系统的前2阶模态实施控制，根据模态实验得到的系统前2阶固有频率(表1)即固有角频率分别为73.38rad/s、460.22rad/s，可设式(7)～式(9)表示的加权函数分别为
比较分析图9、图10可以看出，在控制器作用下，输出应变得到衰减，振动变形量减小，说明所设计的控制器能抑制结构的振动响应。在设计控制器时考虑了外部扰动、量测噪声和参数的不确定性，根据信号的频率特性选择合适的加权函数。根据实际信号的频率特性，在频域内设计鲁棒控制器，但加权函数参数不易选取，要根据实际对象多次试探获得。
4 结论
以压电柔性悬臂梁为研究对象，应用μ综合理论设计具有鲁棒性的控制器。在设计控制器时，由于外部干扰难以测量，故将其作为不确定性外部扰动，并考虑量测噪声对控制系统的影响和系统结构参数的不确定性(如固有频率、阻尼比和作动器参数等的不确定性)，选择模态位移信号作为评价信号，根据实际信号的幅值和频率特性选择合适的加权函数，采用μ综合方法设计控制器。频域分析结果和实验结果表明了控制器的有效性和鲁棒性。
摘要：利用模态理论和μ综合方法,对智能柔性悬臂梁进行振动主动控制研究。以压电陶瓷为作动器,电阻应变计为传感器,采用有限元方法和实验模态测试方法建立结构动力学模型,对两种方法所得结果进行比较分析可知有限元模型与实际系统存在误差。考虑外部扰动和量测噪声的不确定性,同时考虑系统固有频率、阻尼比和作动器参数的不确定性,选择模态位移信号为评价量,根据信号的频率特性选择合适的加权函数,利用μ综合方法设计振动控制器。从频域角度分析控制器的有效性,结果表明该控制器能抑制不确定干扰对输出应变的影响,能在系统不确定性情况下满足控制要求,说明控制器具有鲁棒性。进行了振动主动控制实验研究,结果表明,所设计的控制器能有效抑制结构的振动响应。
关键词：智能结构,振动主动控制,有限元法,μ综合,实验模态测试
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结构振动控制 篇10
结构的振动在工程应用中非常普遍,这些振动会严重影响结构的性能和使用寿命,因此对结构的振动抑制是必要的。由于柔性结构具有固有频率低、挠度高、阻尼小等特性,被动减震对这类控制无能为力,于是采用智能结构利用外部能量产生控制力的振动主动控制得到了迅速发展[1]。学者提出了多种振动主动控制的方法。基于现代控制理论的LQR,H2/H∞等控制方法[2];智能控制,例如模糊控制[3]、神经网络控制、遗传算法[4]控制等都是目前振动主动控制的研究热点。LQR算法要求建立系统数学模型的精确度很高,当出现偏差时系统不能自动修正,甚至会出现不稳定现象;H2/H∞控制算法是在频域内实现设计的;智能控制算法的计算量很大,不能够很好的满足振动控制系统的实时性要求。
本文采用自适应滤波前馈控制方法对压电智能结构悬臂梁的前两阶振动进行控制。自适应滤波可以不断调节自身参数使系统的输出自动跟踪振动信号,使不可预知的外扰能够得到及时抑制。相对于智能控制算法,自适应滤波前馈控制算法的运算量更小,而且其实现过程主要是迭代运算,这有利于硬件编程实现。
1 压电智能结构悬臂梁的模型
压电智能结构悬臂梁模型如图1所示,在悬臂梁上下两表面对称粘贴一对压电片分别作为传感器和执行器,且忽略压电片粘贴层对悬臂梁振动特性的影响。梁的弹性模量为E,抗弯截面模量为I,密度为ρ,长度为L,宽度为bb,厚度为tb,横截面积为A,压电片的弹性模量为Ep,厚度为tp,长度为lp,压电应力常数为κ31,压电应变常数为γ31,压电传感器的电容Cp。
根据欧拉-伯努利简梁(Euler-Bernoulli梁)振动理论,在控制开路情况下悬臂梁的横向振动偏微分方程[5]为:
式中, w(x,t)是悬臂梁的挠度。
根据固有振型的展开原理,梁的挠度w(x,t)可用它的固有振型Φi(x)的线性组合表示如下:
式中,ηi(t)为模态坐标;Φi(x)为关于质量归一化的正交模态函数。
根据悬臂梁振型函数的关系,并且考虑悬臂梁的自身阻尼的影响,设第i阶模态阻尼比为ξi,则模态坐标下梁的振动平衡方程可写成:
1.1 压电致动方程
利用逆压电效应,压电片在外接控制电路输入控制电压的作用下将对梁产生一个力矩,可表示为[6]
F(x,t)=Fu[h(x-x2)-h(x-x1)] (1)
其中: F(x,t)为压电作动器作用于梁上的分布力矩;h(x)为Heaviside 阶跃函数;u为作动器的控制输入电压。
F为比例常数,其表达式如下
方程(1)对x进行求导,可以得到压电致动器对悬臂梁的模态作用力为:
fi=Fu[Φi(x2)-Φi(x1)] (2)
式中Φi(x)为悬臂梁的固有振型。
所以,压电悬臂梁在压电驱动器的控制力作用下的振动微分方程进一步可表示为:
1.2 压电传感方程
悬臂梁在外界环境激励作用下,将产生横向振动,粘贴于悬臂梁表面的压电传感器将振动信号转换为电荷信号。此时,压电片表面电荷量为[2]:
因此,压电传感器两个表面电极间的电压为:
2 自适应滤波前馈控制原理
自适应滤波前馈控制原理图如图2所示。图中,d是振动信号,y是滤波器输出信号,x是参考输入,e是误差信号。通过对自适应滤波器输入合适的参考信号x使滤波器的输出y自动的追踪振动信号d,从而将振动信号d抵消掉,达到抑制振动的效果。
自适应滤波是一种结构和参数可以改变或调整的滤波方法,根据误差信号不断的调整滤波器的权值,从而使滤波器的输出自动的跟踪振动信号。
目前最常用的自适应算法是LMS(最小均方)算法,其权值能依据最小均方误差准则进行调节。LMS算法计算流程[7]归纳为:
y(n)=wT(n)x(n)
e(n)=d(n)-y(n)
w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)
式中, w(n)表示滤波器权值, μ表示收敛因子。
在自适应滤波算法中,权值改变步的长大小决定着算法的收敛速度和稳态误差的大小。对于步长取常值的LMS算法,其收敛速度和稳态误差是一对矛盾。为了提高算法的收敛速度同时减小稳态误差,本文引入LMS算法的改进形式NLMS(归一化最小均方)算法。NLMS算法是在LMS算法随机梯度估计的基础上相对于抽头输入量x(n)的平方欧氏范数进行了归一化,其权值改变公式变为:
由上式可以看出,在滤波初期,自适应过程的步长较大以保证较快的收敛速度,然后步长逐渐减小,以保证较小的稳态误差。
3 仿真算例
根据材料学和模态控制理论可知,悬臂梁振动时,能量主要集中在前几阶模态[8]。因此,本文采用模态截取法取前2阶模态进行控制实验。
悬臂梁和压电片的参数如下表1:
经计算,一阶和二阶模态固有角频率为f1=3.855 Hz,f2=24.164 Hz。假设结构阻尼为0.001,初始扰动位0.05 mm。通过MATLAB对悬臂梁的前两阶振动做基于LMS算法的前馈控制和基于NLMS算法的前馈控制。结果如图3、图4和图5所示:
图3是系统在未施加控制,悬臂梁自由振动时的一阶和二阶模态振动效果,可以看出系统的一阶和二阶模态振动衰减都很缓慢;图4是经LMS算法前馈控制后系统一阶和二阶模态振动效果,可以看出系统的前两阶振动得到抑制,但是稳定状态下有明显的稳态误差;图5是经NLMS算法前馈控制后系统一阶和二阶模态振动效果,可以看出系统前两阶模态振动得到了很快的抑制,并且在稳定后有很小的稳态误差。
4 结束语
本文介绍了自适应滤波前馈控制方法在振动控制系统中的应用,分别采用了基于LMS算法和基于NLMS算法的自适应滤波前馈控制对悬臂梁的外扰振动进行抑制。仿真结果表明,自适应滤波前馈控制能够大幅度的提高柔性智能梁的阻尼,使其振动在短时间内迅速衰减。通过比较,基于NLMS算法比基于LMS算法自适应滤波的前馈控制具有更快的响应速度和更小的稳态误差。
参考文献
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[7]赵春晖,张朝柱,李刚.自适应信号处理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006:17-45.
机械加工过程中的振动控制 篇11
关键词：机械加工；振动类型；原因；影响；措施
在机械加工的过程中，整个工艺系统会经常发生一些振动，给加工过程带来了很大的麻烦。产生振动时，机械加工的正常的切削过程会受到很大的干扰和破坏，致使零件加工的表面会出现一些振纹，影响了零件加工的精度。因此，对机械加工过程中的振动进行深入的研究，进而对振动进行有效的控制是非常必要的。
1.机械加工过程中振动的基本类型
1.1自由振动
当振动系统在激振力的作用下，破坏了机械加工的正常工作状态时，就是自由振动。由于阻尼存在于系统中，所以自由振动经常会发生衰减情况，因此，在一般情况下，自由振动对机械加工过程产生的影响不是很大。自由振动的主要特性是由系统的本身来决定的，也就是说振动所具有的频率、振动的振型主要是取决于振动系统的质量和刚度。
1.2强迫振动
系统在受外界干扰的情况下受迫所产生的振动就是强迫振动。这种振动能够维持下去主要是取决于来自外界干扰力对能量的补充。只要外界存在着干扰现象，振动就不会受阻尼的影响而停止。其中需要注意的是强迫振动产生的频率可以和外界干扰力的频率画等号。
1.3自激振动
自激振动是指系统本身所维持的振动，也可以称作颤振。如果在切削的过程中，振动发生了中止，那么就会导致干扰力消失。同时需要注意的是自激振动是否能产生，以及产生振幅的大小，取决于每个振动周期内系统所获得的能量。
2.机械加工过程中的振动产生的原因
2.1产生自由振动的原因
自由振动主要是由于工艺系统在一些因素的作用下受到一定的冲击，当发生冲击的时候，系统的平衡就会遭到严重的破坏，在这个过程中只是凭借其中的弹性来维持自由振动。
2.2产生强迫振动的原因思
在机械加工过程中，产生强迫振动的原因主要是因为机床的电机会产生振动、机床在运转的时候发生的不平衡状态也会引起振动、切削过程中产生的冲击也会产生振动、往复运动部件的惯性力也会引起振动、如果机床的传动机构存在着缺陷，那么也会引起振动，例如：皮带的涨紧力会发生变化等等。
2.3产生自激振动的原因
将自激振动和强迫振动作比较，虽然振动具有稳定性，但是对自激振动的维持并不是由外加的激振力的作用所决定的，而是由系统自身引起的交变力作用决定的。如果系统不能进行运动，那么交变力也就不存在了，自激振动也就会终止了。
3.机械加工过程中的振动产生的影响
3.1对机械加工的质量以及生产率造成的影响
在机械加工的具体切削过程中所产生的振动，对加工质量以及生产率产生的影响主要体现在以下几个方面：
3.1.1当振动的频率很低时，就会产生一定的波度，振动的频率高时，就会导致加工面粗糙。
3.1.2在加工过程中产生了振动，在很大程度上阻碍了切削用量的提高，甚至更为严重的是导致切削不能正常的进行，影响了机械加工的生产效率。
3.1.3在切削过程中所产生的振动，可能会使刀尖刀刃崩碎，特别是那些韧性非常差的道具，刀具的材质是陶瓷的或者是硬质合金的要注意可能会引起的消振问题。
3.1.4在机械加工过程中，如果出现了振动，那么就会使机床和夹具等一些零件的链接处出现松动现象，使得期间的缝隙增大，导致刚度与精度降低，同时缩短了使用寿命。
3.2零件的使用性能受到表面粗糙度的影响
机械加工表面的不平度高度主要是由表面的粗糙度决定的，当两个零件发生摩擦时，由于零件的表面很粗糙，只有零件表面上的凸峰在进行相互间的接触，然而并不是全部的表面都在进行相互间的配合接触。再加上实际的接触面积非常小，因此就导致了在单位面积上所承受的压力就非常大。当零件进行相互间的摩擦时，表面的凸峰就会被压扁，然后导致磨损现象发生，从而对零件的配合精度造成了影响。同时，粗糙表面的耐磨蚀性很差，因为一些带有腐蚀性的物质会聚集在粗糙表面的裂缝中，并使腐蚀性逐渐扩大。
3.3零件的使用性能受到冷作硬化的影响
表面冷作硬化，在通常情况下，有利于零件在常温下进行工作，同时还有助于提高其工作强度，但是不利于在高温下工作的零件。由于在高温的作用下，零件的表面层硬度会发生变化，例如，使零件表面残余应力松弛，发生塑性变形使得一些原子不断的进行扩散，从而导致合金元素发生氧化情况。此时，冷作硬化层如果很深，程度大，而且温度变高，时间变长，那么塑性变形就会发生剧烈变化，进而使零件表面产生一些裂纹，使得零件的运行强度下降。
4.机械加工过程中的振动控制措施
在机械加工过程中，产生的自由振动，对机械加工产生的影响并不大，以下主要是对强迫振动和自激振动进行有效控制：
4.1对强迫振动进行控制
4.1.1对工艺系统中的回转零件进行平衡处理
4.1.2减少传动件的冲击，提高其精度。
4.1.3提高工艺系统的刚度；隔离外振源对工艺系统造成的干扰。
4.2对自激振动进行控制
4.2.1减小切削的速度，增加切削阻尼，可以使用直角偏刀车外圆的几何图形，做到合理的选择刀具的几何参数。
4.2.2提高工艺系统的抗振能力及刚度，在车刀安装的时候，不能伸出过长，尽可能的选择短且粗的镗刀，在细长轴加工的时候，可以使用跟刀架来控制或者消除振动。
4.2.3最好是不使用很容易产生积屑瘤的切削速度。
4.2.4采用合适的切削用量，可以采用减少切削宽度，同时增加切削厚度。
总结：
综上所述，在机械加工过程中所产生的振动是非常复杂的，只有进行详细的研究分析，掌握机械加工过程中产生振动的基本类型，并且找出产生振动的原因，探讨机械加工过程中振动产生的影响，才能采取更有效的措施来控制或者消除振动的发生，以保证加工零件的质量，提高机械加工生产的效率。
参考文献：
[1]史功赫，刘贵强.浅谈机械加工过程中的振动[J].科技资讯，2011（5）.
[2]伏振峰.浅析提高机械加工质量的有效途径[J].机电信息，2012（8）.
[3]江志国.浅析机械振动的原因及其防止措施[J].现代经济信息，2011（8）.
[4]杨非.浅析如何提高机械加工精度[J].职业技术，2011（10）.
结构振动控制 篇12
关键词：阻尼器,振动控制,动力学模型
随着建筑形式的多样化以及结构复杂程度的增加，结构在地震和风等动力荷载作用下的振动问题也日益突出，单纯通增大构件截面或者增强刚度的方法已经不能满足结构的实用功能要求，比较合理的设计方法是在结构上增加耗能装置，并根据能量输入、能量吸收和能量耗散进行结构设计，运用新型材料制成的阻尼器的应用已成为结构工程振动控制具有前沿性的发展方向之一，粘弹性阻尼器就是耗能装置的一种，它构造简单，减振效果好。
1 工作原理
在结构上设置粘弹性阻尼器是减结构动力响应的简单有效的方法。所谓磁流变(MR)阻尼器就是以磁流变液作为工作介质的，应用磁流变效应特性而制造出的一种新型振动控制装置。它具有结构简单、能耗小、出力大、响应快、阻尼力连续可调等优点，是结构振动半主动控制的理想元件。此外，MR阻尼器在停电或在半主动控制策略失效后，阻尼器仍然能够作为一种被动耗能装置来抑制结构振动，是一种失效-安全型阻尼器。
在地震时粘弹性阻尼器能够先进入非弹性阶段，大幅消耗输入能量，迅速衰减结构的振动响应，减少或避免结构构件的损坏，确保结构的安全。粘弹性阻尼器一般由粘弹性材料和约束钢板或内外约束钢圆筒构成，是一种主要与速度相关的被动消能减振装置。在结构振动下，粘弹性材料产生剪切变形，从而耗散结构的振动能量。大量的振动台试验表明，在结构上增设粘弹性阻尼器，不仅可以增加结构的刚度还可以大幅提高结构的阻尼，耗散输入结构的能量，减小结构的振动响应。
一般而言，结构中加入粘弹性阻尼器后，将改变结构的刚度、阻尼分布，从而使结构的动力特性也随之改变。在某种意义上讲已不存在严格意义的振型概念，振型分解法也随之失效。解决这个问题，一般需要用到复模态技术将动力方程解耦或采用线性逐步积分方法。
2 动力学模型
为了对粘弹性阻尼器结构进行内力计算，必须合理描述阻尼器的应力与应变的关系。为此，许多研究者提出了各种计算模型。由于粘弹性阻尼器的动态力学性能受到环境温度、激振频率和应变大小的影响，这就给粘弹性阻尼器的研究和应用带来了困难。
阻尼器动力学模型即智能半主动阻尼器对结构的控制力与阻尼器两端相对运动(位移和速度)的关系，通过设置典型的离散力学原件(如弹簧、粘壶、摩擦块、质量块)串并联组合来模拟阻尼器的宏观力学行为。
磁流变液应力应变存在屈服前、屈服和屈服后三阶段。Bingham模型实际上描述的是屈服后的特性，数学表达式为：
其中，fd为阻尼器出力;fdy为阻尼器屈服力;Cd为阻尼器屈服后的阻尼系数;π·为阻尼器活塞的速度;f0为MR阻尼器出力偏差。
3 工程算例
某7层钢框架结构，层高为3m，结构的阻尼比为0.05。材料选用Q235号钢材，柱截面为HW300×300×10/15，梁截面为HW350×175×7/11，选用时间间隔0.02s，持时20s的ElCe ntro波施加在结构上，仅考虑X方向施加，所用地震波加速度时程曲线的最大值调整为220gal，采用直接积分法进行计算。
目前，用磁流变液制成的MR阻尼器的结构形式主要有挤压流动式、剪切式、阀式及阀式四种。本文选用Maxwell型粘弹性阻尼器，阻尼器隔层布置于框架中，如图1所示，器参数设置为，有效附加阻尼为1000KN×sec/m，消能器阻尼为2000KN，阻尼指数为1，连接弹簧刚度为1000000KN/m。
运用Midas通过计算，可以得到施加阻尼器前后各层剪力最大值的比较图，如图2所示。可以看出，通过阻尼器的设置，各层最大剪力明显减小，说明阻尼器的设置有效地提高了结构整体的抗震性能。
4 结论
通过对结构设置粘弹性阻尼器前后的抗震性能进行研究比较，可以得到，粘弹性阻尼器通过改变结构的阻尼和刚度来达到控制的目的，加在结构上某层的阻尼器产生的控制力在可以有效减少最大层剪力，一般情况下，设置阻尼器后，结构的位移与速度都能得到很好的控制，对结构的加速度控制效果与阻尼器的布置位置有重要的关系。当位置布置合理时，可达到良好的控制效果。
参考文献
[1]欧进萍.结构振动控制[M].科学出版社, 2003.
[2]李宏男, 杨浩, 李秀领.磁流变阻尼器参数化动力学模型研究进展[J].大连理工大学学报, 2004.