關(guān)于新型壓電變摩擦阻尼器的簡要分析

楊建寧 劉 洋，2 孫立新

1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測繪工程學(xué)院，陜西西安 710018；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055

地震是一種嚴(yán)重威脅著人類的生命與財產(chǎn)安全的突發(fā)性自然災(zāi)害，我國位于世界的環(huán)太平洋火山地震帶和地中海-喜馬拉雅山地震帶兩大地震帶的交匯部位，地震斷裂帶具有頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣的特點(diǎn)[1]。地震災(zāi)害直接帶來了建筑物損壞，所以建筑的抗震性能十分重要。建筑抗震設(shè)防措施的傳統(tǒng)做法一般是通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體剛度或整體延性來抵御地震作用，即由結(jié)構(gòu)自身儲存的抗力來耗散地震所傳給建筑的能量。地震的隨機(jī)性決定了采用這種抗震設(shè)防措施設(shè)計的結(jié)

構(gòu)抗震“自我”調(diào)節(jié)能力弱、適應(yīng)性差；另外，建筑結(jié)構(gòu)通過自身儲存抗力來消耗地震能量，結(jié)構(gòu)會局部破壞，且加固維修比較困難，經(jīng)濟(jì)性差。因此，基于智能控制的新型結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的研究很有必要[2-3]，為了增強(qiáng)我國工程建設(shè)的防災(zāi)減災(zāi)能力，尤其是提高大跨度結(jié)構(gòu)的抗震能力，通過設(shè)計基于壓電摩擦阻尼器的智能控制系統(tǒng)來研究其抗震性能，具有重要的意義和價值。

壓電摩擦阻尼器的智能控制系統(tǒng)屬于結(jié)構(gòu)智能控制的范疇，壓電摩擦阻尼器本身由壓電驅(qū)動器和摩擦阻尼器復(fù)合而成，兼?zhèn)溆懈兄Ⅱ?qū)動及耗能的性能，是目前比較常用的智能控制器，它克服了單純壓電材料提供的應(yīng)變小而阻尼滯后的缺點(diǎn)，具備了結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、時滯小、出力大的特點(diǎn)。隨著壓電驅(qū)動器性價比的提高，它在土木工程結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)的實(shí)用性和價值越來越高。

1 壓電變摩擦阻尼器的原理

1.1 壓電變摩擦阻尼器的原理

壓電摩擦阻尼器的核心材料是壓電材料，壓電材料在變形時會引起電路兩端的電壓變化，稱為正壓電效應(yīng)，反之由于電壓引起的材料變形稱為逆壓電效應(yīng)，壓電材料的電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)間關(guān)系（機(jī)電耦合關(guān)系）可以用下列的壓電本構(gòu)方程表示：

在公式（1）中：ε—壓電陶瓷的應(yīng)變向量(6×1)；cEσ—電場強(qiáng)度為常數(shù)時材料對應(yīng)的柔度系數(shù)(6×6)；Eσ—應(yīng)力向量(6×1)；E—電場強(qiáng)度(3×1)；dσ—壓電應(yīng)變常數(shù)(6×3)。

在公式（2）中：D—電位移(3×1)；εσ—當(dāng)應(yīng)力為常數(shù)時相應(yīng)介電常數(shù)(3×3)。進(jìn)而得到壓電摩擦阻尼器的阻尼力計算模型為：

公式（3）中：f(t)—阻尼力；μ—摩擦面的摩擦系數(shù)；N ( t )—作用在壓電摩擦阻尼器上的正壓力；[x.(t)]—阻尼器摩擦面的相對速度。其中，N(t)與阻尼器的預(yù)緊力以及驅(qū)動器引起的緊固力相關(guān)，即：

公式（4）中 ：N0—摩擦阻尼器的預(yù)緊；K—壓電摩擦阻尼器形狀系數(shù) ；E(t)—主動調(diào)節(jié)或的電場強(qiáng)；d33—壓電材料的壓電應(yīng)變系數(shù)[4]。

由上述的壓電變摩擦阻尼器工作原理可以看出，由于逆壓電效應(yīng)，壓電材料相應(yīng)對摩擦阻尼器摩擦表面的壓力進(jìn)行控制,能同步并及時地調(diào)節(jié)阻尼器的耗能能力。阻尼耗能過程主要是通過減慢結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對位移來消耗地震傳給結(jié)構(gòu)的振動能量，并且該裝置消耗能量的速度可以調(diào)節(jié)。

1.2 新型壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造和優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)壓電摩擦阻尼器的構(gòu)造特點(diǎn)使得壓電驅(qū)動器在發(fā)生阻尼運(yùn)動后復(fù)位困難，整體驅(qū)動器和阻尼面不封閉等?；趥鹘y(tǒng)壓電摩擦阻尼器的缺點(diǎn)，阻尼器的摩擦面形狀被設(shè)計為封閉的曲面，如圖1所示[5]，其構(gòu)造特點(diǎn)是外形為圓筒形，壓電材料封閉在套筒中，預(yù)壓彈簧將阻尼器（內(nèi)筒）與外套筒貼合，形成初始壓力；當(dāng)?shù)卣饋砼R時，外部推拉桿拉力變化產(chǎn)生相對移動速度時，自感應(yīng)壓電驅(qū)動器伸長變形，而預(yù)壓彈簧限制該變形，增加了外套筒內(nèi)壁與阻尼器表面之間的正壓力，使阻尼作用增大；同時根據(jù)減振需要調(diào)節(jié)加在壓電材料驅(qū)動器上的電壓，就可以實(shí)現(xiàn)摩擦力的實(shí)時調(diào)節(jié)。這種新型壓電驅(qū)動器的構(gòu)造簡單，驅(qū)動力大，復(fù)位快，因此有顯著的減振效果。

圖1 新型壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造

2 智能控制系統(tǒng)

由智能控制算法編制程序，考慮正壓電效應(yīng)作用，通過感應(yīng)信號采集，產(chǎn)生電壓變化信號，并根據(jù)信號分析系統(tǒng)進(jìn)行阻尼力計算、驅(qū)動力控制計算；在逆壓電效應(yīng)作用下，進(jìn)行反饋電壓計算，壓電驅(qū)動器做動，從而實(shí)現(xiàn)振動的半主動控制，程序思路如圖2所示。

圖2 智能控制單元算法程序圖

在上述結(jié)構(gòu)主動控制和結(jié)構(gòu)智能控制方面，結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)算法研究有：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等。模糊控制以模糊集合以及模糊語言規(guī)則為基礎(chǔ)，根據(jù)操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)知識，按照操作數(shù)據(jù)控制規(guī)則，利用模糊理論進(jìn)行邏輯推理，對無法或難以建立精密數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象進(jìn)行有效控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基本不依賴于模型的控制方法，可適用于具有不確定性變化的環(huán)境，自適應(yīng)能力較強(qiáng)，在多變量、高度非線性和大滯后系統(tǒng)建模和控制方面優(yōu)勢明顯，遺傳算法是基于自然選擇與基因遺傳學(xué)原理的現(xiàn)代優(yōu)化算法，構(gòu)成了各種進(jìn)化計算方法的基礎(chǔ)。

3 發(fā)展前景

壓電材料已在土木結(jié)構(gòu)防震減災(zāi)中得到應(yīng)用，目前國內(nèi)外學(xué)者在阻尼器研發(fā)、控制算法研究以及智能控制等方面有了一定的研究和成果，壓電材料的性能向自傳感驅(qū)動器方向發(fā)展，隨著智能材料的不斷發(fā)展和控制算法的不斷改進(jìn)，在建筑結(jié)構(gòu)抗震控制領(lǐng)域，抗震智能控制系統(tǒng)的研究將會更加深入。

4 結(jié)語

（1）壓電變摩擦阻尼器運(yùn)用壓電材料的壓電效應(yīng)并與阻尼器集合成為具有自適應(yīng)能力的摩擦耗能裝置，是一類很有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)減振裝置。

（2）新型壓電變摩擦阻尼器克服了傳統(tǒng)壓電摩擦阻尼器的缺點(diǎn)，具有外力能量小、整體驅(qū)動力大的特點(diǎn)，能夠有效地抵御地震作用。

（3）提供智能控制單元算法程序圖做為編程的參考。