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原文传递斜拉索磁流变智能减振系统理论与试验研究

论文题名：	斜拉索磁流变智能减振系统理论与试验研究
关键词：	斜拉桥;超长斜拉索;磁流变阻尼器;智能减振系统;复合式补偿器
摘要：	随着斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索的长度随之增长，超长斜拉索的固有阻尼比更低，受外界激励时更容易产生大幅度、多模态的振动。目前的抑振方案是基于斜拉索的单一模态振动而设计的，难以满足超长斜拉索多模态振动控制的需求。磁流变阻尼器作为一种新型智能减振装置，兼备被动控制技术的可靠性和主动控制技术的高效性，同时具有响应时间短、功耗低、可调节性好等优点，倍受国内外学者的关注。作为热点研究之一，斜拉索磁流变智能减振技术可利用磁流变阻尼器的可调节性，来实现对斜拉索多模态、高效率的振动控制效果。然而当前针对斜拉索振动的磁流变阻尼器减振设计方法较少，现有的智能控制算法过于复杂不易实现，控制系统对于稳定能源供给的依赖性强，这些问题极大地限制了磁流变阻尼器在斜拉桥拉索振动控制的工程应用。　　本文以斜拉索智能减振系统为主线，对单出杆磁流变阻尼器的力学性能与模型建立、磁流变阻尼器非线性控制力下斜拉索的动力响应、光伏供能模块和实时电流控制模块的研制以及斜拉索多模态伪负刚度控制策略进行了一系列研究，并开展了相关力学性能试验和模型拉索减振试验，主要研究工作如下：　　(1)单出杆磁流变阻尼器性能试验与力学模型　　首先分析了具有新型复合式补偿器的单出杆阻尼器的工作原理，揭示其内部构造对单出杆磁流变阻尼器力学性能的影响。随之开展了阻尼器力学性能系列试验，验证这种具有新型补偿器的单出杆磁流变阻尼器的工作性能，最后基于试验结果，建立了磁流变阻尼器出力的Sigmoid模型。　　(2)加入磁流变阻尼器的斜拉索动力分析　　本文以磁流变阻尼器作用下的斜拉索为研究对象，通过复特征值理论来对磁流变阻尼器弱非线性出力的控制特性进行分析，总结出恒定电流下磁流变阻尼器减振设计方法。另外，通过状态空间方法对不同振动模态、不同工作电流的磁流变阻尼器控制工况下的斜拉索动力响应进行仿真，展示出恒定电流磁流变阻尼器设计方法良好的模态兼容性。　　(3)光伏供能的斜拉索磁流变振动控制系统　　在光伏供能方面，阐述了光伏供能模块的构成及工作特性。在实时电流控制模块的研究中，提出了一种依赖于速度方向和位移的伪负刚度电流控制策略，并介绍了伪负刚度电流策略下实现磁流变阻尼器的伪负刚度特性的机理。在本文提出的控制策略中，仅以阻尼器安装位置处的位移信号为状态输入量，以最低的代价来完成实时电流控制，开展了磁流变伪负刚度减振系统的力学性能试验。　　(4)斜拉索磁流变智能减振数值及理论分析　　首先将伪负刚度电流进行了参数化，再将研究工作(1)中建立的磁流变阻尼器的Sigmoid模型与之耦合，得到面向振动控制的磁流变伪负刚度精细化动态模型。借助本文建立的时变斜拉索数值模型，开展了斜拉索多模态伪负刚度减振优化设计，最终实现了最大限度提升斜拉索目标模态阻尼比的目的，并采用复特征值理论对此伪负刚度控制力的减振增益效果进行理论分析。　　(5)斜拉索磁流变智能减振系统动力试验　　在模型拉索试验中，设置了恒定电流下的磁流变阻尼器控制工况和实时控制器作用下的磁流变伪负刚度控制工况。以模型拉索的一阶振动控制为目标，完成了基于磁流变阻尼器的脱机实时智能控制试验，验证了单输入磁流变伪负刚度控制方法的高效性和可行性。　　本文的主要创新点：　　(1)提出了基于复特征值理论的斜拉索磁流变阻尼器减振设计方法，该设计方法能够针对斜拉索的特征及其振动状态迅速地确定最佳剪切屈服力，仿真结果表明该磁流变阻尼器减振设计方法对于各阶模态振动抑制具有良好的模态兼容性。　　(2)提出了一种斜拉索多阶模态的磁流变智能减振策略，在该控制策略下利用伪负刚度特性增加阻尼器的运动位移，从而增加阻尼器的耗能能力，在不增加阻尼器安装高度的前提下发挥更好的减振效果。　　(3)研制了一种光伏供能磁流变智能减振系统，该减振系统包括光伏供能模块、实时电流控制模块和磁流变阻尼器，具备长期户外工作的能力。
作者：	许艳伟
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	徐赵东;吕令毅
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021