壓電智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用

1、壓電智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)控壓電智能材料在土木工程結(jié)構(gòu)控制中的應(yīng)用制中的應(yīng)用壓電智能摩擦耗能器壓電智能驅(qū)動器壓電材料本構(gòu)方程壓電材料及其原理智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容半主動TMD系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)將生命體的感知、調(diào)整、控制等功能賦予傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)，使之能感知外界環(huán)境并自發(fā)地進(jìn)行調(diào)整，從而自動適應(yīng)各種外部作用，以實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的智能化，它具有選擇功能、自我診斷功能、自我調(diào)節(jié)功能，自我恢復(fù)功能及自我修復(fù)功能。智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)將生命體的感知、調(diào)整、控制等功能賦予傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)，使之能感知外界環(huán)境并自發(fā)地

2、進(jìn)行調(diào)整，從而自動適應(yīng)各種外部作用，以實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的智能化，它具有選擇功能、自我診斷功能、自我調(diào)節(jié)功能，自我恢復(fù)功能及自我修復(fù)功能。智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能工程結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)主要由傳感器、信號智能工程結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)主要由傳感器、信號處理器、控制器和作動器或耗能器四部分組成，它們處理器、控制器和作動器或耗能器四部分組成，它們分別相當(dāng)于人的感官、神經(jīng)、大腦和肌肉。分別相當(dāng)于人的感官、神經(jīng)、大腦和肌肉。仿生模型智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)中振動控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理：系統(tǒng)原理：可以模擬生物界的方式感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，將傳感器量測到的信號，經(jīng)信號處理器加工處

3、理，送入控制器，控制器再依據(jù)某種智能控制算法做出決策，通過作動器對結(jié)構(gòu)施加指令或調(diào)節(jié)耗能減振系統(tǒng)的參數(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振系統(tǒng)智能化的目的。因而，具有智能特性的工程結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)環(huán)境激勵信號和結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號，自適應(yīng)地實時改變結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，抑制結(jié)構(gòu)在地震動或強(qiáng)風(fēng)作用下的振動，保證結(jié)構(gòu)的安全。壓電材料及其原理壓電材料及其原理應(yīng)用：應(yīng)用：具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能,壓已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能,在土木工程結(jié)構(gòu)中可作為傳感器和驅(qū)動器。Reading壓電材料：因其具有頻響范圍寬、響應(yīng)速度快、密實度大、精確度高、良好的線性行為等優(yōu)點優(yōu)點得到了

4、研究者們的青睞。壓電材料及其原理壓電材料及其原理定義定義：當(dāng)對壓電材料施加機(jī)械變形時，剩余極化強(qiáng)度：當(dāng)對壓電材料施加機(jī)械變形時，剩余極化強(qiáng)度將因材料的變形而發(fā)生變化，引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷將因材料的變形而發(fā)生變化，引起材料內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對移動產(chǎn)生電極化，從而導(dǎo)致材料兩個表中心發(fā)生相對移動產(chǎn)生電極化，從而導(dǎo)致材料兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度與外力成正面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度與外力成正比比正壓電效應(yīng)：反映了壓電材料具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰?。檢測出壓電元件上電荷的變化，即可得知壓電元件處的變形量，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，可將其制成結(jié)構(gòu)振動控制或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的智

5、能傳感器智能傳感器。正壓電效應(yīng)壓電材料及其原理壓電材料及其原理定義定義：當(dāng)在壓電材料兩表面上通以電壓，所有晶粒極當(dāng)在壓電材料兩表面上通以電壓，所有晶粒極化方向趨于電場方向，造成壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷中化方向趨于電場方向，造成壓電元件內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移，導(dǎo)致壓電材料的變形，心的相對位移，導(dǎo)致壓電材料的變形，逆壓電效應(yīng)：反映了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，可將其制成結(jié)構(gòu)振動控制中的智能驅(qū)動器智能驅(qū)動器。正壓電效應(yīng)壓電材料本構(gòu)方程壓電材料本構(gòu)方程v 在結(jié)構(gòu)振動控制中得到運用的智能型壓電傳感器、壓電驅(qū)動器和壓電耗能阻尼器的機(jī)理即是運用了壓電材料的力電耦合的特性，

6、其本構(gòu)關(guān)系的表達(dá)式為Eiijjmimsd ETmmiiikkDdE 為應(yīng)變；sij 為恒定電場（或零電場）時的彈性柔度系數(shù)；j 為應(yīng)力；dmi 為壓電應(yīng)變常數(shù)；Em 和Ek為電場強(qiáng)度；Dm 為電位移； Tik 為零應(yīng)力（或常應(yīng)力）時的介電系數(shù)。i壓電材料本構(gòu)方程壓電材料本構(gòu)方程表明壓電材料的應(yīng)變是由其所受到的應(yīng)力產(chǎn)生的表明壓電材料的應(yīng)變是由其所受到的應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變和施加給壓電材料的電場導(dǎo)致其產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)變和施加給壓電材料的電場導(dǎo)致其產(chǎn)生的應(yīng)變之和，反映了壓電材料將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)之和，反映了壓電材料將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)系。系。Eiijjm imsdE表示壓電材料所受到的應(yīng)力對其應(yīng)變的影響

7、施加給壓電材料的電場強(qiáng)度 Em 對壓電材料應(yīng)變的影響。壓電材料本構(gòu)方程壓電材料本構(gòu)方程由施加給壓電材料的應(yīng)力與電場強(qiáng)度兩部分的影由施加給壓電材料的應(yīng)力與電場強(qiáng)度兩部分的影響組成，它反映的是壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電響組成，它反映的是壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的關(guān)系。能的關(guān)系。表示壓電材料所受到的應(yīng)力對其電位移的影響施加給壓電材料的電場強(qiáng)度 Ek 對壓電材料電位移的影響。TmmiiikkDdE壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器v 壓電陶瓷是研究智能工程結(jié)構(gòu)驅(qū)動裝置時較為常用的一種。驅(qū)動器利用壓電材料所具有的逆壓電效應(yīng)使其工作，致動器能直接將控制器輸出的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)的應(yīng)變或位移，具有改變智能結(jié)構(gòu)形狀、

8、剛度，位置、固有頻率、阻尼及其他機(jī)械特性的能力。壓電陶瓷驅(qū)動器主要有薄片式與疊堆式兩種。其提供的驅(qū)動力小，因而在輕質(zhì)的桁架、梁、板等柔性結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的較多，但其不太適合應(yīng)用于復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)減振系統(tǒng)當(dāng)中。薄片式壓電陶瓷驅(qū)動器壓電陶瓷疊堆式壓電陶瓷疊堆式驅(qū)動器驅(qū)動器壓電陶瓷疊堆式驅(qū)動器，是由十幾個到幾百個壓電陶瓷薄片以力學(xué)上串聯(lián)，電學(xué)上并聯(lián)的形式，用導(dǎo)電聚合物黏結(jié)在一起制成的，這樣不但可以使壓電陶瓷片做得很薄，而且可以降低驅(qū)動電壓，增加驅(qū)動器的位移。此種壓電驅(qū)動器有很強(qiáng)的儲能能力，約束其變形時，可以提供相當(dāng)大的驅(qū)動力。多層壓電陶瓷片疊加方式壓電智能驅(qū)動器reason 1壓電驅(qū)動器的極限應(yīng)變量普遍

9、較小，目前市場上壓電材料的極限應(yīng)變量一般在 0.1%左右，有一部分的極限應(yīng)變量可達(dá)到0.2%，最新出現(xiàn)的壓電單晶陶瓷材料的極限應(yīng)變量也只有 0.5% 。顯然，一般情況下壓電驅(qū)動器不能承受實際建筑、橋梁等土建結(jié)構(gòu)在地震動或強(qiáng)風(fēng)作用下的變位，這已成為制約其在土木工程結(jié)構(gòu)控制中得到實際應(yīng)用的因素之一。壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能力矩壓電智能力矩控制裝置控制裝置壓電智能壓電智能軸力裝置軸力裝置AB智能壓電智能壓電驅(qū)動支撐驅(qū)動支撐D壓電智能軸壓電智能軸力力-力矩混合力矩混合控制裝置控制裝置CAxial Force ControlActive StrutBending

10、Moment ControlCombination適合用于土木結(jié)構(gòu)控制當(dāng)中的壓電智能驅(qū)動器適合用于土木結(jié)構(gòu)控制當(dāng)中的壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能力矩控制器壓電智能力矩、軸力和軸力-力矩混合控制裝置一般被置于框架結(jié)構(gòu)或排架結(jié)構(gòu)柱的底部。它們的結(jié)構(gòu)形式大致相同，均由預(yù)壓螺栓、力傳感器、壓電驅(qū)動器和剛性橫梁四部分構(gòu)成，壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器工作原理示意圖壓電智能力矩、軸力和混合控制裝置有著相同的結(jié)構(gòu)形式，但是它們的工作原理卻有所不同。壓電智能驅(qū)動器壓電智能驅(qū)動器壓電智能力矩控制裝置壓電智能力矩控制裝置的工作原理為：對位于同一力矩控制器中的壓電驅(qū)動器，一邊進(jìn)行

11、增加電壓的同時，另一邊進(jìn)行相同程度的減壓，這樣在柱的一邊產(chǎn)生推力，另一邊產(chǎn)生相等的拉力，形成力矩，從而在柱頂產(chǎn)生控制剪力。壓電智能軸力控制裝置壓電智能軸力控制裝置的工作原理為：使分別布置于相鄰框架柱底部的兩個軸力控制器，產(chǎn)生符號相反的力，在相鄰框架柱中，一個承受拉力，另一個承受壓力，從而在樓板處形成控制力矩。同時運用上述兩種工作原理即可實現(xiàn)壓電智能軸力-力矩混合控制裝置。一般先用預(yù)壓螺栓對壓電驅(qū)動器施加預(yù)壓力，并給壓電一般先用預(yù)壓螺栓對壓電驅(qū)動器施加預(yù)壓力，并給壓電驅(qū)動器加上一定的初始電壓，這樣驅(qū)動裝置既能夠提供驅(qū)動器加上一定的初始電壓，這樣驅(qū)動裝置既能夠提供壓力又能夠提供拉力。壓力又能夠提供

12、拉力。壓電智能摩擦耗能器壓電智能摩擦耗能器傳統(tǒng)的被動耗能阻尼器的減振技術(shù)相對比較成熟，如調(diào)頻質(zhì)量阻尼器、粘彈性阻尼器等，然而作為一種被動控制裝置，它不能根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途、荷載情況和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而實時地改變結(jié)構(gòu)自身的特性，因而在應(yīng)用上有很大的局限性。為了克服傳統(tǒng)被動耗能系統(tǒng)的缺點，將智能材料與被動耗能系統(tǒng)相結(jié)合，能極大地改善被動耗能阻尼器的性能壓電智能摩擦耗能器壓電智能摩擦耗能器根據(jù)結(jié)構(gòu)減振要求，利用壓電陶瓷的伸縮變形來改變摩擦片的緊固力，從而實時調(diào)整摩擦力，可以使摩擦耗能器具有智能的特性壓電一摩擦耗能器的構(gòu)造在耗能阻尼器基礎(chǔ)上增加壓電陶瓷墊圈復(fù)合而成的，耗能器摩擦力的調(diào)節(jié)是利用緊固螺栓的“壓電陶瓷墊圈”的電致形變改變螺栓的緊固力來實現(xiàn)的。半主動半主動TMD系統(tǒng)系統(tǒng)Reading調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)：一種被動控制裝置，并已應(yīng)用在實際工程結(jié)構(gòu)中。這種控制裝置無論對風(fēng)振還是地震引起的振動都有明顯的減振效果。不足：不足： 受頻率限制比較大，當(dāng)激振為寬帶激勵或結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是多個振型都起作用時，控制效果不明顯，說明 TMD 的控制頻域?qū)挾群苷?。由于實際工程結(jié)構(gòu)的非線性因素、理論建模與