電磁慣質阻尼器位置優(yōu)化布置方案研究

電磁慣質阻尼器位置優(yōu)化布置方案研究

結構控制中被建件安裝位置的優(yōu)化隨著科學技術的發(fā)展和人們對生活需求的不斷提高，土木工程結構的中高級建筑越來越多，大跨度橋梁越來越大。自然環(huán)境中的風、雨、地震等作用隨處可見。在這些作用下，土木工程結構容易產生強烈的振動，這會增加結構的損傷，影響結構的安全性和舒適度，減少結構的使用壽命。當今社會,在土木工程行業(yè)中,如何減輕結構由于外界動力荷載所引起的響應這一問題,成為了國內外學者研究的熱點。近年來,在眾多結構控制技術中被動控制依舊是國內外學者們研究的熱點,研究人員對被動控制中阻尼器參數(shù)優(yōu)化與控制算法已經(jīng)展開了諸多研究早在1987年,Ashour和Hanson提出了阻尼器在結構中安裝位置優(yōu)化,利用分布參數(shù)系統(tǒng)研究了建筑物中阻尼器利用效率最高的最佳安裝位置,結果表明阻尼器安裝在最大層間速度的位置減震效果最優(yōu)本文以層間位移角為目標控制函數(shù)和確定的阻尼器個數(shù)和參數(shù),采用均勻布置和三種優(yōu)化布置方案對EMID在多自由度結構中安裝位置進行優(yōu)化布置,并引入四個抗震性能評價指標依據(jù)結構的安全性和舒適性對十自由度結構在均勻布置和三種優(yōu)化布置方案下的減震效果進行比較。選出阻尼器的最優(yōu)布置方案,分析EMID在相同慣質不同電磁阻尼力和相同電磁阻尼力不同慣質的條件下的減震效果,研究電磁阻尼力和慣質的變化對電磁慣質阻尼器減震性能的影響。1磁體襯底ed與多元結構耦合動力學模型1.1抗磁性偶質干擾裝置的等效簡化模型Inerter的概念最先由Smith電磁慣質阻尼器所產生的力1.2電磁慣質阻尼器基本構造電磁慣質阻尼器包括一個滾珠絲杠機構,在滾珠絲杠機構的末端設有變速箱和旋轉飛輪;再通過聯(lián)軸器與旋轉永磁式發(fā)電機結合,利用尾筒將變速箱、旋轉飛輪與旋轉永磁式發(fā)電機和滾珠絲杠機構形成整體,通過將電機與外接端阻連接,可實現(xiàn)電磁耗能、慣質和半主動控制多重效果。電磁慣質阻尼器基本構造如圖3。電磁慣質阻尼器減振原理:當被控主結構受地震或風荷載發(fā)生振動時,電磁慣質阻尼器兩端發(fā)生直線相對運動,經(jīng)滾珠絲杠將低頻直線運動轉變?yōu)楦咚傩D運動,通過變速箱與旋轉飛輪裝置,為電磁慣質阻尼器提供了慣質系數(shù)。又經(jīng)變速箱后,驅使旋轉永磁式發(fā)電機工作,在這個過程中,引起旋轉永磁式發(fā)電機的動子相對于定子產生移動,隨著電機動子的運動,電機線圈中磁通量發(fā)生改變,電機線圈中產生感應電動勢進而產生感應電流,據(jù)楞次定律,感應電流會形成電磁阻尼即反電動勢來抑制電機動子的運動,并可以通過外接端阻改變電磁阻尼系數(shù)的大小,實現(xiàn)對被控結構的減振以及半主動控制。1.3磁體阻尼器與多粒度結構的耦合動力學模型電磁慣質阻尼器(EMID)在受地震波其中M,C,K分別為被控主結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣,由EMID的力學模型2基于end的優(yōu)化方案和衰減性能評價指標2.1電磁慣質阻尼器位置的優(yōu)化控制電磁慣質阻尼器(EMID)作為振動控制中一種新穎慣性質量阻尼器,實現(xiàn)了阻尼力實時可調和慣性質量雙重效果。電磁慣質阻尼器在結構中位置布置十分重要,如何通過阻尼器位置優(yōu)化,使控制效果達到更佳成為了需要解決的問題。本文在確定的阻尼器個數(shù)和相同阻尼器參數(shù)條件下,以層間位移角為控制目標函數(shù),對以下三種阻尼器位置優(yōu)化方案展開了討論,最后將三種優(yōu)化方案和均勻布置作比較,選出一種最優(yōu)布置方案。2.1.1系數(shù)配置權系數(shù)也可稱為權重系數(shù)其中,2.1.2附加電磁慣質阻尼器迭代法是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過程。最初在振動控制中,主要應用與粘彈性阻尼器等被動阻尼器的安裝位置優(yōu)化當中其中Δx具體實現(xiàn)步驟:先計算出無控結構在地震波作用下的結構響應,然后計算各層相對應的層間位移角,將第一個電磁慣質阻尼器安裝在層間位移角最大的位置,得到了新的附加電磁阻尼矩陣和慣質矩陣,下一步計算已經(jīng)安裝了一個阻尼器的結構在相同地震波作用下的結構響應,計算控制目標函數(shù)J,找出第二個阻尼器的安裝位置,如此往復,直到達到規(guī)定的阻尼器數(shù)量或者設計要求,即可停止迭代。2.1.3性搜索算法介紹遺傳算法(GeneticAlgorithm,GA)是建立在自然選擇和自然遺傳學機理基礎上的迭代自適應概率性搜索算法,主要由初始化、選擇、交叉和突變四個部分組成遺傳算法優(yōu)化的適應度函數(shù)與前面兩種優(yōu)化方法一樣,以最大層間位移角為適應度函數(shù)來進行位置優(yōu)化。遺傳算法適應度函數(shù):其中Δx具體實現(xiàn)步驟:利用MATLAB語言編制遺傳算法的適應度函數(shù),再使用遺傳算法工具箱,調用已編好的適應度函數(shù)程序,通過GA工具箱優(yōu)化得到最終阻尼器布置位置。2.2種位置優(yōu)化方案結果和均勻布置對結構的減速控制效果在阻尼器位置優(yōu)化當中,采用不同的阻尼器位置優(yōu)化方案,得到的位置優(yōu)化結果可能會產生差異,為比較上述三種位置優(yōu)化方案結果和均勻布置對結構的減震控制效果,本文基于結構對安全性和舒適性的要求下,引入了J其中,i表示結構樓層,θ本文利用以上4種減震效果評價指標對3種位置優(yōu)化方案結果和均勻布置對結構的減震控制效果進行比較,分別計算在均勻布置和權系數(shù)布置、迭代法以及基于遺傳算法的阻尼器位置布置下的減震效果評價指標J310坡下地震波對功率譜的影響本文選取一個10自由度的原型結構,選擇ElCentro、ChiChi、Kobe和Northridge地震波如圖5所示。4種地震波分別對應了不同的卓越周期,如地震波功率譜如圖6所示。其目的在于研究電磁慣質阻尼器在4種不同卓越周期的地震波下的優(yōu)化方案及減震效果。為了便于對后續(xù)峰值減震進行對比分析,對地震加速度振幅調整為150Gal。3.1結構參數(shù)和電磁強度計的基本組成10自由度結構參數(shù)電磁慣質阻尼器基本參數(shù):阻尼器總數(shù)量N=10,每個阻尼器的電磁阻尼力c3.2參數(shù)變化時的減緩效果對比電磁慣質阻尼器總數(shù)量為10,每一層均可以重復布置多個阻尼器,通過MATLAB仿真分析,均勻布置和權系數(shù)布置、迭代法以及基于遺傳算法的阻尼器位置優(yōu)化布置最優(yōu)布置結果見表2,四種優(yōu)化布置下的減震效果評價指標J基于建筑結構優(yōu)化設計的基本原則:安全性、舒適性等,以及表3中各種位置布置下計算對應所得的四種減震效果評價指標數(shù)值,和圖7～圖10中4種地震波下各種位置布置的結構最大響應圖,驗證了在相同的阻尼器參數(shù)下,采用遺傳算法優(yōu)化布置對結構的減震效果更好,能夠使阻尼器的利用率達到更高,同時相對于迭代法、權系數(shù)布置,體現(xiàn)了遺傳算法的簡單易行,高效實用等優(yōu)越性。最終本文選擇基于遺傳算法的阻尼器位置優(yōu)化布置最終所得阻尼器布置位置來開展10自由度結構控制阻尼器參數(shù)變量仿真分析。410電磁阻尼器特性仿真分析10自由度結構參數(shù)與上一節(jié)相同,在ElCentro地震波作用下,采用上一節(jié)阻尼器位置優(yōu)化結果,即基于遺傳算法的阻尼器位置優(yōu)化布置最終所得阻尼器布置位置進行仿真分析EMID在相同慣質不同電磁阻尼力和相同電磁阻尼力不同慣質的條件下的減震效果,研究電磁慣質阻尼器中電磁阻尼力和慣質的變化對結構減震性能的影響。4.1制造習慣的不變，改變磁體的阻力控制阻尼器的慣性質量m4.2阻尼器在結構上的減緩性能控制阻尼器的電磁阻尼力為c通過MATLAB仿真分析可得,控制慣質不變時,電磁阻尼力越大阻尼器減震性能越好,當電磁阻尼力為零即僅有慣質時,阻尼器對結構的減震性能稍差;控制電磁阻尼力不變時,慣質的變化對位移峰值減震影響不大,但也存在慣質越大,減震效果越佳的趨勢,而慣質對加速度峰值減震效果的影響十分明顯,隨著慣質增大,減震性能越好。5電磁慣質阻尼器在結構體系內的均衡布置和優(yōu)化布置的結果分析(1)本文電磁慣質阻尼器采用的均勻布置以及權系數(shù)布置、迭代法和基于遺傳算法的阻尼器位置優(yōu)化布置3種優(yōu)化布置對于10自由度結構減震控制均表現(xiàn)出較好的情況,驗證了電磁慣質阻尼器是一種十分有效的減震裝置。(2)對于本文采用的均勻布置和3種優(yōu)化布