超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法技术

超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法，包括以下步骤：(1)识别大跨度悬索桥动力特性参数，得到描述结构动力性能的物理参数和描述气流的物理特性，(2)闭环控制率的设计，消除翼板转角的高阶导数表达，增强控制方程的稳定性；对原系统进行降维处理；实现状态反馈控制的目标；选取匹配的状态观测器，(3)验证和应用主动翼板进行颤振控制，修正气动翼板的姿态。通过反复的观测和控制，气动翼板不断变换姿态而振动，将振动所产生的气动自激力通过支撑传递给主梁，实现对主梁振动的抑制，并由此提高大跨度悬索桥的颤振临界风速。

Active Control Method of Flutter Aerodynamic Wing Plate for Super Long Span Suspension Bridge

【技术实现步骤摘要】
超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法
本专利技术属于悬索桥颤振控制领域，具体涉及一种超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法。
技术介绍
世界经济的快速发展，新材料的陆续研发，设计理念、施工技术和计算能力的不断进步，使得人类有能力建造更大跨度的桥梁，连接以往不能连接的通途。悬索桥作为拥有最强跨越能力的桥梁形式，被广泛地应用于跨越天堑。由于其卓越的跨越能力，这种桥型在世界范围内一直处于蓬勃发展的阶段，其跨径增加非常迅速。然而，超大跨度悬索桥自身刚度低，且常处于海上高风速区域，如何避免桥梁在其生命周期内因颤振而破坏成为了设计的重点和难点。颤振控制主要通过改变结构强度、附属机械能耗和气动调节的方式进行，研究可知，气动措施在三类颤振控制方法中最具吸引力，一方面，气动措施不需要对桥梁结构进行大刀阔斧的修改，仅以附属构件的方式存在，拥有良好的经济性；另一方面，气动措施从根本上改变了气动力对主梁的作用过程，从根本上减少了颤振能量的来源，拥有良好的有效性。气动控制措施主要分为固定气动装置、可动式气动装置以及主动气动装置三种。固定式气动装置是在不改变桥梁主体结构与使用性能的前提下，适当改变桥梁的外形布置或者附加一些导流装置，也被称为被动气动装置，这类装置需要经过风洞试验比选，以找出有效的外形方案，能在一定范围内提高颤振临界风速，被广泛地应用于桥梁颤振控制，优点是无条件稳定且技术成熟，缺点是抑振效果有限且比选过程繁琐；可动式气动装置通过设置巧妙的机械构造，使气动装置能随加劲梁的振动做出相应的姿态调整，这类装置能在固定气动装置的基础上进一步提高颤振临界风速，缺点是控制装置的设计复杂，有较高的实施难度，且难以用最优的方式实现抑振，另外，有的装置可能会破坏加劲梁的完整性；主动气动措施可以在事先建立的数学物理模型基础上进行控制设计，在选定的性能目标下完成对系统的最优控制，避免了被动气动措施繁复的比选过程，控制装置也较可动气动装置简单。与机械类主动控制措施相比，这类措施还有耗能低的优点，缺点主要是有条件的稳定且需要能源，相关研究还有待进一步进行。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法，形成基于气动翼板的大跨度悬索桥颤振主动控制理论框架，作为通用模板指导大跨度悬索桥的颤振控制的设计，完成控制模式的分析。为了实现以上目的，本专利技术采取的技术方案是：超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法，包括以下步骤：步骤一：识别大跨度悬索桥动力特性参数1)在有限元分析的基础上，根据《公路桥梁抗风设计规范(JTG/TD60-01—2004)》中规定的计算方法，通过模态分析识别与颤振相关的扭转模态和竖弯模态，按式(1)提取该模型的等效质量m和等效质量惯矩I，最终得到描述结构动力性能的物理参数；式(1)中，φα和φh为桥梁最低阶扭转模态和对应的最低阶竖弯模态，均已进行模态质量归一化，分母部分根据计算对象分别对模态竖向位移h或扭转位移α在主梁长度范围内进行积分；2)给出气动翼板和主梁的气动力信息，以描述作用于主梁-翼板系统上的气动力与系统运行状态之间的关系，获取自激力参数，得到描述气流的物理特性，其中，自激力参数先以Scanlan频域颤振导数描述获取，再转化为时域参数，式(2)中：Fse为作用于单位长度断面的自激气动力，由自激气动升力L和自激气动升力矩T两部分构成；ρ为空气密度；U为平均风速；B为断面宽度；K=ωB/U为圆频率ω导出的无量纲折减频率；h为断面竖向位移，α为断面扭转角；即为Scanlan频域颤振导数，是折减频率K的函数；气动翼板和主梁的气动导数分别采用如下的方法a和方法b进行获取，Scanlan频域颤振导数转化为时域参数的方法见c；a.对于气动翼板，其气动力特性以理想平板进行简化，根据Theodorsen理论解推演得到scanlan频域颤振导数；式(3)中：ρ为空气密度；U为平均风速；k=0.5K为无量纲折减频率；Ji表示i阶第一类Bessel函数；Yi表示i阶第二类Bessel函数；b.对于主梁，其气动力特性通过风洞试验或CFD计算分析获取，其Scanlan频域颤振自激力参数获取方式如下：风洞试验或CFD计算均采取强迫振动法，基本原理是令主梁以某一折减频率K沿竖弯和扭转自由度振动，获得作用在它们上面的气动力，再按以下方法识别为Scanlan频域颤振导数：令主梁分别在竖向和扭转方向以单频振动，具体形式如下：h=Ahsin(ωt)(4)α=Aαsin(ωt)(5)当仅进行竖向振动时，根据升力L时程和升力矩T时程的自谱识别得到该折减频率K下的颤振导数和当仅进行扭转振动时，根据升力L时程和升力矩T时程的自谱识别得到该折减频率K下的颤振导数和式(6)～(13)中，相位角θ为由气动力和位移的互谱导出：θL=tan-1(Im(Sxy(L，h)|ω)/Re(Sxy(L，h)|ω))(14)θT=tan-1(Im(Sxy(T，α)|ω)/Re(Sxy(T，α)|ω))(15)c.颤振导数转化为时域颤振自激力参数的方法为：颤振自激力的近似时域表达式：式(16)中，引入m个气动状态变量Φk(k=1～m)对颤振自激力的滞后状态进行描述，每个气动状态仅对一个气动自激力分量产生影响，增加气动状态变量的个数能够提高该近似时域表达的精度，其中，Φk，k=1～m，还满足如下关系：λk为滞后项的衰减率，到此即完成了将Scanlan时频混合表达方式向纯时域近似表达方式的转化过程；关键参数A1，A2，A3，Ak+3,k=1～m以及λk,k=1～m的获取基于Scanlan气动导数进行间接拟合；为了获得时域自激力参数A1，A2，A3，Ak+3,k=1～m以及λk,k=1～m，需要基于Scanlan频域颤振导数进行拟合，根据Roger有理函数描述，构造拉氏域内的频响函数Q如式(18)所示：式(18)中，顶标^代表近似估计；A1，A2，A3分别表征了自激气动刚度、气动阻尼和气动质量；Ak+3,k=1～m为考虑自激气动力滞后于结构的记忆效应，λk,k=1～m为滞后效应的衰减率，在对进行拟合时，考虑颤振临界状态为简谐振动，略去拉式变量中的实数部分，取p=Ki并引入折减风速v=2π/K得到：式(19)中，将的实数部分和虚数部分进行分开表达，构造目标函数：对于这类最小二乘问题，采用一种内部置信域方法求解该时域气动参数拟合问题，此处，令{A}i为目标函数在第i步迭代中的参数A1，A2，A3，...Ak+3...，需要搜索{A}i，使得J({A}i)达到目标函数的极小值，然后定义当前迭代步参数{A}i的邻域Ωi，使得：Ωi={{A}i∈R|||{A}-{A}i||≤Δi}(21)式(21)中，Δi为置信半径，假设目标函数J在实数域R内二阶连续可微，问题转化为在该邻域中寻求目标函数J({A})的一个合适的二次模型近似q({A})，令s={A}-{A}i，计算该二次模型的极小化取值点si，使得||si||≤Δi，由此可以将该时域气动参数的拟合问题转化为：式(22)中，根据二次模型q(i)(s)对目标函数J({A})的拟合程度来调整置信半径，设定一致性参数通过不断迭代并在每次迭代后计算该一致性参数，可以确定置信域与估计值的调整值，最终达到可以接受的近似误差；以上即实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：识别大跨度悬索桥动力特性参数1)在有限元分析的基础上，根据《公路桥梁抗风设计规范(JTG/T D60‑01—2004)》中规定的计算方法，通过模态分析识别与颤振相关的扭转模态和竖弯模态，按式(1)提取该模型的等效质量m和等效质量惯矩I，最终得到描述结构动力性能的物理参数；

【技术特征摘要】
1.超大跨度悬索桥颤振气动翼板主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：识别大跨度悬索桥动力特性参数1)在有限元分析的基础上，根据《公路桥梁抗风设计规范(JTG/TD60-01—2004)》中规定的计算方法，通过模态分析识别与颤振相关的扭转模态和竖弯模态，按式(1)提取该模型的等效质量m和等效质量惯矩I，最终得到描述结构动力性能的物理参数；式(1)中，φα和φh为桥梁最低阶扭转模态和对应的最低阶竖弯模态，均已进行模态质量归一化，分母部分根据计算对象分别对模态竖向位移h或扭转位移α在主梁长度范围内进行积分；2)给出气动翼板和主梁的气动力信息，以描述作用于主梁-翼板系统上的气动力与系统运行状态之间的关系，获取自激力参数，得到描述气流的物理特性，其中，自激力参数先以Scanlan频域颤振导数描述获取，再转化为时域参数，式(2)中：Fse为作用于单位长度断面的自激气动力，由自激气动升力L和自激气动升力矩T两部分构成；ρ为空气密度；U为平均风速；B为断面宽度；K＝ωB/U为圆频率ω导出的无量纲折减频率；h为断面竖向位移，α为断面扭转角；即为Scanlan频域颤振导数，是折减频率K的函数；气动翼板和主梁的气动导数分别采用如下的方法a和方法b进行获取，Scanlan频域颤振导数转化为时域参数的方法见c；a.对于气动翼板，其气动力特性以理想平板进行简化，根据Theodorsen理论解推演得到scanlan频域颤振导数；式(3)中：ρ为空气密度；U为平均风速；k＝0.5K为无量纲折减频率；Ji表示i阶第一类Bessel函数；Yi表示i阶第二类Bessel函数；b.对于主梁，其气动力特性通过风洞试验或CFD计算分析获取，其Scanlan频域颤振自激力参数获取方式如下：风洞试验或CFD计算均采取强迫振动法，基本原理是令主梁以某一折减频率K沿竖弯和扭转自由度振动，获得作用在它们上面的气动力，再按以下方法识别为Scanlan频域颤振导数：令主梁分别在竖向和扭转方向以单频振动，具体形式如下：h＝Ahsin(ωt)(4)α＝Aαsin(ωt)(5)当仅进行竖向振动时，根据升力L时程和升力矩T时程的自谱识别得到该折减频率K下的颤振导数和当仅进行扭转振动时，根据升力L时程和升力矩T时程的自谱识别得到该折减频率K下的颤振导数和式(6)～(13)中，相位角θ为由气动力和位移的互谱导出：θL＝tan-1(Im(Sxy(L，h)|ω)/Re(Sxy(L，h)|ω))(14)θT＝tan-1(Im(Sxy(T，α)|ω)/Re(Sxy(T，α)|ω))(15)c.颤振导数转化为时域颤振自激力参数的方法为：颤振自激力的近似时域表达式：式(16)中，引入m个气动状态变量Φk(k＝1～m)对颤振自激力的滞后状态进行描述，每个气动状态仅对一个气动自激力分量产生影响，增加气动状态变量的个数能够提高该近似时域表达的精度，其中，Φk，k＝1～m，还满足如下关系：λk为滞后项的衰减率，到此即完成了将Scanlan时频混合表达方式向纯时域近似表达方式的转化过程；关键参数A1，A2，A3，Ak+3,k＝1～m以及λk,k＝1～m的获取基于Scanlan气动导数进行间接拟合；为了获得时域自激力参数A1，A2，A3，Ak+3,k＝1～m以及λk,k＝1～m，需要基于Scanlan频域颤振导数进行拟合，根据Roger有理函数描述，构造拉氏域内的频响函数Q如式(18)所示：式(18)中，顶标^代表近似估计；A1，A2/A3分别表征了自激气动刚度、气动阻尼和气动质量；Ak+3,k＝1～m为考虑自激气动力滞后于结构的记忆效应，λk,k＝1～m为滞后效应的衰减率，在对进行拟合时，考虑颤振临界状态为简谐振动，略去拉式变量中的实数部分，取p＝Ki并引入折减风速v＝2π/K得到：式(19)中，将的实数部分和虚数部分进行分开表达，构造目标函数：对于这类最小二乘问题，采用一种内部置信域方法求解该时域气动参数拟合问题，此处，令{A}i为目标函数在第i步迭代中的参数A1，A2，A3，...Ak+3…，需要搜索{A}i，使得J({A}i)达到目标函数的极小值，然后定义当前迭代步参数{A}i的邻域Ωi，使得：Ωi＝{{A}i∈R|||{A}-{A}i||≤Δi}(21)式(21)中，Δi为置信半径，假设目标函数J在实数域R内二阶连续可微，问题转化为在该邻域中寻求目标函数J({A})的一个合适的二次模型近似q({A})，令s＝{A}-{A}t，计算该二次模型的极小化取值点si，使得||si||≤Δi，由此可以将该时域气动参数的拟合问题转化为：式(22)中，根据二次模型q(i)(s)对目标函数J({A})的拟合程度来调整置信半径，设定一致性参数通过不断迭代并在每次迭代后计算该一致性参数，可以确定置信域与估计值的调整值，最终达到可以接受的近似误差；以上即实现了将Scanlan频域颤振导数向时域参数A1，A2，A3以及Ak+3,k＝1～m的转化；步骤二：闭环控制率...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珂，葛耀君，赵林，陈翰林，
申请(专利权)人：重庆大学，同济大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50