关于新型压电变摩擦阻尼器的简要分析

2018-11-16杨建宁孙立新

智能城市 2018年19期

杨建宁刘洋，2 孙立新

1.陕西交通职业技术学院建筑与测绘工程学院，陕西西安 710018；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055

地震是一种严重威胁着人类的生命与财产安全的突发性自然灾害，我国位于世界的环太平洋火山地震带和地中海-喜马拉雅山地震带两大地震带的交汇部位，地震断裂带具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特点[1]。地震灾害直接带来了建筑物损坏，所以建筑的抗震性能十分重要。建筑抗震设防措施的传统做法一般是通过加强结构的强度、整体刚度或整体延性来抵御地震作用，即由结构自身储存的抗力来耗散地震所传给建筑的能量。地震的随机性决定了采用这种抗震设防措施设计的结

构抗震“自我”调节能力弱、适应性差；另外，建筑结构通过自身储存抗力来消耗地震能量，结构会局部破坏，且加固维修比较困难，经济性差。因此，基于智能控制的新型结构抗震系统的研究很有必要[2-3]，为了增强我国工程建设的防灾减灾能力，尤其是提高大跨度结构的抗震能力，通过设计基于压电摩擦阻尼器的智能控制系统来研究其抗震性能，具有重要的意义和价值。

压电摩擦阻尼器的智能控制系统属于结构智能控制的范畴，压电摩擦阻尼器本身由压电驱动器和摩擦阻尼器复合而成，兼备有感知、驱动及耗能的性能，是目前比较常用的智能控制器，它克服了单纯压电材料提供的应变小而阻尼滞后的缺点，具备了结构简单、可靠性好、时滞小、出力大的特点。随着压电驱动器性价比的提高，它在土木工程结构智能控制系统的实用性和价值越来越高。

1 压电变摩擦阻尼器的原理

1.1 压电变摩擦阻尼器的原理

压电摩擦阻尼器的核心材料是压电材料，压电材料在变形时会引起电路两端的电压变化，称为正压电效应，反之由于电压引起的材料变形称为逆压电效应，压电材料的电学性质和力学性质间关系（机电耦合关系）可以用下列的压电本构方程表示：

在公式（1）中：ε—压电陶瓷的应变向量(6×1)；cEσ—电场强度为常数时材料对应的柔度系数(6×6)；Eσ—应力向量(6×1)；E—电场强度(3×1)；dσ—压电应变常数(6×3)。

在公式（2）中：D—电位移(3×1)；εσ—当应力为常数时相应介电常数(3×3)。进而得到压电摩擦阻尼器的阻尼力计算模型为：

公式（3）中：f(t)—阻尼力；μ—摩擦面的摩擦系数；N ( t )—作用在压电摩擦阻尼器上的正压力；[x.(t)]—阻尼器摩擦面的相对速度。其中，N(t)与阻尼器的预紧力以及驱动器引起的紧固力相关，即：

公式（4）中：N0—摩擦阻尼器的预紧；K—压电摩擦阻尼器形状系数；E(t)—主动调节或的电场强；d33—压电材料的压电应变系数[4]。

由上述的压电变摩擦阻尼器工作原理可以看出，由于逆压电效应，压电材料相应对摩擦阻尼器摩擦表面的压力进行控制,能同步并及时地调节阻尼器的耗能能力。阻尼耗能过程主要是通过减慢结构内部相对位移来消耗地震传给结构的振动能量，并且该装置消耗能量的速度可以调节。

1.2 新型压电变摩擦阻尼器的构造和优点

传统压电摩擦阻尼器的构造特点使得压电驱动器在发生阻尼运动后复位困难，整体驱动器和阻尼面不封闭等。基于传统压电摩擦阻尼器的缺点，阻尼器的摩擦面形状被设计为封闭的曲面，如图1所示[5]，其构造特点是外形为圆筒形，压电材料封闭在套筒中，预压弹簧将阻尼器（内筒）与外套筒贴合，形成初始压力；当地震来临时，外部推拉杆拉力变化产生相对移动速度时，自感应压电驱动器伸长变形，而预压弹簧限制该变形，增加了外套筒内壁与阻尼器表面之间的正压力，使阻尼作用增大；同时根据减振需要调节加在压电材料驱动器上的电压，就可以实现摩擦力的实时调节。这种新型压电驱动器的构造简单，驱动力大，复位快，因此有显著的减振效果。

图1 新型压电变摩擦阻尼器的构造

2 智能控制系统

由智能控制算法编制程序，考虑正压电效应作用，通过感应信号采集，产生电压变化信号，并根据信号分析系统进行阻尼力计算、驱动力控制计算；在逆压电效应作用下，进行反馈电压计算，压电驱动器做动，从而实现振动的半主动控制，程序思路如图2所示。

图2 智能控制单元算法程序图

在上述结构主动控制和结构智能控制方面，结构控制系统算法研究有：模糊控制、神经网络控制和遗传算法等。模糊控制以模糊集合以及模糊语言规则为基础，根据操作人员的实际经验知识，按照操作数据控制规则，利用模糊理论进行逻辑推理，对无法或难以建立精密数学模型的复杂对象进行有效控制；神经网络是基本不依赖于模型的控制方法，可适用于具有不确定性变化的环境，自适应能力较强，在多变量、高度非线性和大滞后系统建模和控制方面优势明显，遗传算法是基于自然选择与基因遗传学原理的现代优化算法，构成了各种进化计算方法的基础。