一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统技术方案

本发明专利技术是针对拉索减振提出了通过在拉索轴向同位置处对称粘贴将多组宏纤维复合材料(MFC)，对同位置处对称粘贴的MFC施加相反方向电压，以此为拉索提供附加弯矩，从而减小拉索的振幅的新方法。通过本发明专利技术可以确定拉索‑MFC减振系统中MFC材料产生的附加弯矩的作用形式，从而建立了拉索‑MFC减振系统的动力学方程。基于MFC的拉索附加弯矩减振方法的特点是：利用粘贴于拉索的MFC提供附加弯矩易于实施，且MFC易于粘贴、方便布置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统
本专利技术涉及结构工程、自动控制
，尤其涉及一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统。
技术介绍
随着交通的日益发达，人们对于桥梁的跨度与舒适度也越来越高，因此斜拉桥与悬索桥对拉索的减振要求也越来越高。作为斜拉桥与悬索桥的主要承重构件之一，拉索起着传递桥面荷载的重要作用，并且拉索的特点是阻尼小，柔度大和固有频率频段较宽。这些特点使得拉索极易在外荷载或桥面桥塔的作用下产生多种振动形式。由于拉索长期处于不同振动形式作用的组合或单独作用下，拉索极可能发生疲劳破坏或者发生拉索锚固端破坏。拉索的疲劳破坏对于斜拉桥与悬索桥是致命的，这将造成严重的人员伤亡和经济损失。关于拉索的减振策略，目前主要分为三种，空气动力学法、改变拉索自身特性与安装机械阻尼器的方法。其中，通过改变拉索自身特性来减振的方法是一种易于实现的方法，一般为辅助索法。虽然辅助索法易于布置，但辅助索减振效果受环境影响较大且不美观，因此减小外界环境对拉索的影响与改变拉索自身特性相结合的方法是拉索振动控制的重要问题之一。宏纤维复合材料(MFC)是新型智能压电纤维复合材料，主要由三层组成，包括上下两层的交叉指型电极层与中间的压电陶瓷纤维和聚合物基质。MFC具有质量轻、韧性大、出力大、耐腐蚀性好、易于粘贴与布置等特点，具有很好的发展前景。因此结合宏纤维复合材料的韧性大、出力大、耐腐蚀性好，拉索-MFC系统将会对拉索的振动控制起到极大的作用。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术目的之一在于提供一种方法：通过对拉索轴向同位置处对称粘贴的MFC施加电压，产生与外界荷载作用引起的弯矩方向相反的附加弯矩，减小拉索承受的弯矩，从而减小拉索的振幅。一种宏纤维复合材料的拉索，所述拉索的轴向设有若干MFC组和位移传感器，所述位移传感器连接dSPACE实时仿真系统的输入端，所述dSPACE实时仿真系统的输出端连接高压放大器的输入端，所述高压放大器的输出端连接MFC组。优选的，所述MFC组是将若干大小相同的MFC对称地粘贴在拉索钢绞线的周围。优选的，所述dSPACE实时仿真系统与计算机连接。优选的，采用对同位置处对称粘贴的MFC施加相反方向电压的方法，从而使各MFC组产生相反方向的应变，并通过控制算法使MFC产生的附加弯矩与外界荷载产生的弯矩方向相反，构成拉索-MFC减振系统用于实时减小拉索的振幅一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统，方法步骤如下：S1：首先通过模态截断法大致地截取所要控制的低阶模态，以此作为确定粘贴MFC与传感器位置的预先估计；S2：建立拉索动力学方程与状态空间方程组；S3：由于拉索是一种频率较为密集的柔性结构，然后选用内平衡降阶方法，构造对角块占优的系统可控、可观Gram矩阵，求解系统的奇异值，对比奇异值大小，若没有出现明显大于其它奇异值的情况，就增加MFC数量，直到出现远大于其它奇异值的奇异值时停止，保留奇异值较大的内平衡模态作为系统保留模态。再通过步骤二的状态空间方程与保留模态修正为基于模态坐标的状态空间方程；S4：编写模糊PID控制算法，提取所截取模态的模态函数矩阵在传感器位置处的模态函数建立新的模态函数矩阵，并将传感器得到的物理空间信号与模态坐标信号和新的模态函数矩阵联立得到方程组，这样可以实时地求出模态坐标信号。由此实现了物理空间与模态空间的转换。通过dSPACE实时仿真系统输出控制信号，通过高压放大器放大电压作用于MFC，使MFC出力抵抗外界荷载作用，从而起到减振的作用。进一步的，所述S2中拉索动力学方程与状态空间方程组的建立方法，方法步骤入下：设E为拉索的弹性模量，I为惯性矩，S0为拉索初始索力，S为振动引起的索力增量，η为y方向的挠度，w为振动引起的y方向挠度，qx为忽略垂度影响的拉索沿水平跨长分布重量，t为时间，T为系统动能，V为系统势能，W为外力做功，M(x)为MFC产生的附加弯矩。因为MFC对拉索的附加弯矩在拉索与MFC的横截面边界处有类似于突变的增长，且粘贴MFC的面积远小于未粘贴位置，所以MFC在除粘贴位置外的部位产生的弯矩较小，对未粘贴部位振幅的不利影响可忽略不计。1)首先建立恒载作用下的静力平衡方程EIη(4)-S0η″-qx＝02)推导拉索在附加弯矩时的动力方程根据哈密顿原理有所以上式的后两项与边界条件有关，其中边界的δy与δy′均为0。所以所以拉索的动力学方程为3)将拉索的动力学方程写为状态空间方程的形式。一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统统用于控制拉索的振幅。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果在于：本专利技术的系统提出的基于MFC的拉索附加弯矩减振方法，将多组MFC在拉索轴向同位置处对称粘贴，通过对同位置处对称粘贴的MFC施加方向相反的电压，从而使各组MFC产生相反方向的应变，并通过控制算法使MFC产生的附加弯矩与外界荷载产生的弯矩方向相反，构成拉索-MFC减振系统以此实时地减小拉索的振幅。本专利技术提出的一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统，方便实施、便于观测，提高了工作效率；该系统测试灵敏度高，能够精准调节拉索的频率。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术的基于MFC的拉索附加弯矩减振系统的布置示意图，以斜拉索为例；图2为本专利技术的MFC的粘贴位置横截面示意图；图3为本专利技术的基于MFC的拉索附加弯矩减振系统的流程示意图，以斜拉索为例；图4为基于模糊PID的拉索振动控制系统；图5为模糊PID与PID的控制效果对比图；图6为一阶频率下拉索的控制效果图；图7为二阶频率下拉索的控制效果图。图中：1-MFC组、2-拉索、3-拉索固定端、4-桥塔、5-桥面、6-位移传感器、7-高压放大器、8-计算机、9-dSPACE实时仿真系统、10-拉索钢绞线、11-套管、12-填料、13-MFC。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步解说。实施例1图1表示的是基于MFC的拉索附加弯矩减振系统，在桥塔4和桥面5之间通过拉索固定端3连接拉索2，在拉索2上设有MFC组1和位移传感器6，位移传感器6连接dSPACE实时仿真系统9的输入端，dSPACE实时仿真系统9的输出端连接高压放大器7的输入端，高压放大器7的输出端连接MFC组1，dSPACE实时仿真系统9与计算机连接8。实施例2图2表示的是MFC的横向粘贴位置。在拉索钢绞线10的周围两两对称粘贴四个MFC13，拉索钢绞线10的外部设有套管11，在拉索钢绞线10与套管11之间还设有填料12。实施例3图3为基于MFC的拉索附加弯矩减振系统的流程示意图，(1)首先要确定MFC与传感器的粘贴位置，先通过模态截断法大致地截取所要控制的低阶模态，以此作为确定粘贴MFC与传感器位置的预先估计；(2)建立基于MFC的拉索附加弯矩的动力方程和状态空间方程；(3)由于拉索是一种频率较为密集的柔性结构，然后选用内平衡降阶方法，构造对角块占优的系统可控、可观Gram矩阵，求解系统的奇异值，对比奇异值大小，若没有出现明显大于其它奇异值的情况，就增加MFC与传感器数量或改变MFC与传感器的粘贴位置，直到出现远大于其它奇异本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宏纤维复合材料的拉索，其特征在于：所述拉索的轴向设有若干MFC组和位移传感器，所述位移传感器连接dSPACE实时仿真系统的输入端，所述dSPACE实时仿真系统的输出端连接高压放大器的输入端，所述高压放大器的输出端连接MFC组。

【技术特征摘要】
1.一种宏纤维复合材料的拉索，其特征在于：所述拉索的轴向设有若干MFC组和位移传感器，所述位移传感器连接dSPACE实时仿真系统的输入端，所述dSPACE实时仿真系统的输出端连接高压放大器的输入端，所述高压放大器的输出端连接MFC组。2.根据权利要求1所述的一种宏纤维复合材料的拉索，其特征在于，所述MFC组是将若干大小相同的MFC对称地粘贴在拉索钢绞线的周围。3.根据权利要求1所述的一种宏纤维复合材料的拉索，其特征在于，所述dSPACE实时仿真系统与计算机连接。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种宏纤维复合材料的拉索，其特征在于，采用对同位置处对称粘贴的MFC施加相反方向电压的方法，从而使各MFC组产生相反方向的应变，并通过控制算法使MFC产生的附加弯矩与外界荷载产生的弯矩方向相反，构成拉索-MFC减振系统用于实时减小拉索的振幅。5.根据权利要求1所述的一种基于宏纤维复合材料的拉索附加弯矩减振系统，其特征在于，方法步骤如下：S1：首先通过模态截断法大致地截取所要控制的低阶模态，以此作为确定粘贴MFC与传感器位置的预先估计；S2：建立拉索动力学方程与状态空间方程组；S3：然后选用内平衡降阶方法，构造对角块占优的系统可控、可观Gram矩阵，求解系统的奇异值，对比奇异值大小，保留奇异值较大的内平衡模态作为系统保留模态。再通过S2的状态空间方程与保留模态修正为基于模态坐标的状态空间方程；S4：编写模糊PID...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂建维，张家瑞，蒋伟，林泽昕，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42