基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法
阅读说明：本技术 基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法 (Orthotropic steel bridge deck vibration reduction method based on leakage-proof magnetorheological damper ) 是由 涂建维 张家瑞 廖田龙 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法,涉及结构工程和自动控制技术领域。针对正交异性钢桥面板减振提出了通过在正交异性钢桥面板下安装防泄漏磁流变阻尼器,利用防泄漏磁流变阻尼器的阻尼力可调特性,结合智能控制算法,为正交异性钢桥面板提供实时可变的附加阻尼力,减小正交异性钢桥面板的变形,从而降低应力集中程度,达到减振效果。(The invention discloses an orthotropic steel bridge deck vibration attenuation method based on a leakage-proof magneto-rheological damper, and relates to the technical field of structural engineering and automatic control. According to the vibration reduction of the orthotropic steel bridge deck, the leakage-proof magnetorheological damper is arranged under the orthotropic steel bridge deck, the damping force adjustable characteristic of the leakage-proof magnetorheological damper is utilized, an intelligent control algorithm is combined, real-time variable additional damping force is provided for the orthotropic steel bridge deck, the deformation of the orthotropic steel bridge deck is reduced, the stress concentration degree is reduced, and the vibration reduction effect is achieved.)
技术领域
本发明属于结构工程及自动控制领域，具体而言，涉及基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法。
背景技术
随着交通的日益发达，国内外桥梁的数量逐渐增加，正交异性钢桥面板作为一种新型的桥梁形式由于其自重轻、承载能力高、施工速度快、节省钢材等优点已被广泛应用。正交异性钢桥面板是通过焊接将顶板、纵肋和横隔板连接而成，在空间上用以承受车轮荷载的整体板件结构。这种成型方式会导致各个构件之间的焊缝连接处出现无法避免的残余应力、焊缝缺陷以及应力集中等现象。在局部轮载直接作用下，正交异性钢桥面板由于刚度分布不均，极易发生局部挠曲变形，从而引起焊接部位构件的变形，进而加剧各种初始缺陷对应力集中的影响，降低正交异性钢桥面板的整体抗疲劳性能。正交异性钢桥面板频发的疲劳破坏问题，造成了巨大的经济损失和社会影响，严重制约了桥梁的发展。
为改善正交异性钢桥面板的抗疲劳性能，多年来大量学者针对该问题进行了各方面的研究，不仅涉及到疲劳产生的原因及部位，也对疲劳寿命估计以及维修保养等方法进行了探究。绝大多数学者在进行改善正交异性钢桥面板疲劳性能相关研究时，均从结构本身构造出发，通过改变结构形式和细节构造来减轻应力集中程度，但效果不太理想。
磁流变阻尼器作为一种半主动控制装置，由于其可控性强、响应快、功率低等优点而应用广泛。然而，磁流变液阻尼器多数采用橡胶密封圈来实施密封，在长期服役后会出现漏液现象,且正交异性钢桥面板的变形严重，应力集中，减振效果不好。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法，通过将防泄漏磁流变阻尼器安装在正交异性钢桥面板的下方，利用位移传感器，获取结构的振动信息，并通过控制算法对结构进行分析，给防泄漏磁流变阻尼器施加电流，实时改变其阻尼力，从而抵消外界荷载引起的桥面板疲劳振动，延长正交异性钢桥面板的疲劳寿命。
为了实现上述技术目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供了基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法，包括如下步骤：
S1：分析正交异性钢桥面板的受力特点，确定桥面变形最大处，以此作为防泄漏磁流变阻尼器的安装位置；
S2：建立防泄漏磁流变阻尼器力学模型；
其中：所述防泄漏磁流变阻尼器的活塞截面周长为b，活塞部分的有效长度为l，活塞的有效面积为Ap，u为活塞的相对位移，v0为活塞速率，h为阻尼器间隙宽度，τy为磁流变材料的剪切屈服强度，η为磁流变材料的动力粘度，Q0为不考虑粘弹性材料翘曲变形时通过间隙的磁流变液流量，n为粘弹性材料块数，d为粘弹性材料厚度，As为粘弹性材料等效平面面积，G1、G2为粘弹性材料的储能模量和耗损模量，η2为粘弹性材料的损耗因子，t为时间，ω为激励频率；
首先建立常规磁流变阻尼器力学模型：
由于所述防泄漏磁流变阻尼器腔内的流体压力会引起粘弹性材料的翘曲变形，从而影响磁流变液的间隙流量，进而影响间隙压力梯度。为了考虑粘弹性材料变形对间隙压力梯度的影响，引入压力梯度修正系数α(t)得到磁流变液所产生的阻尼力：
FΔV＝α(t)Fsv；
粘弹性材料本身是耗能阻尼材料，它作为密封器材使用后会改变装置的阻尼和刚度，其阻尼力计算公式如下：
根据标准线性固体模型，其模量与损耗因子的表达式如下:
其中q0、q1、p1为与粘弹性材料性质相关的系数；
综合粘弹性材料阻尼力计算模型与普通磁流变阻尼器力学模型，建立所述防泄漏磁流变阻尼器力学模型：
F＝α(t)Fsv+Fv
根据性能试验，压力梯度修正系数也随电流的变化而变化，根据各个电流下的计算结果，简谐荷载下的修正系数拟合形式如下：
α(I,t)＝m(I)-n(I)|cos(ωt)|
其中m(I)、n(I)为与电流相关的参数；
得到修正系数中两个电流参数之后，即可得到设计的阻尼器的完整力学模型：
F＝[m(I)-n(I)|cos(ωt)|]Fsv+Fv；
S3：求解防所述泄漏磁流变阻尼器与正交异性钢桥面板结构的耦合运动方程，建立正交异性钢桥面板振动响应与阻尼力之间的关系；
S4：编写模糊PID控制算法，将位移传感器得到的物理空间信号转化为模态坐标信号，通过dSPACE实时仿真系统输出控制信号，控制电流源输出电流作用于所述防泄漏磁流变阻尼器，使所述防泄漏磁流变阻尼器出力抵抗外界荷载，从而起到减振的作用。
现有技术中，磁流变液阻尼器多数采用橡胶密封圈来实施密封，在长期服役后会出现漏液现象,且正交异性钢桥面板的变形严重，应力集中，减振效果不好。
本发明采用基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法，其主要步骤为：首先，确定防泄漏磁流变阻尼器在正交异性钢桥面板下的安装位置。由于桥面板直接承受车轮荷载，在移动荷载下，桥面会发生纵向和横向的变形，而这种变形受到连接焊缝的约束，必然在焊缝连接处产生很大的应力，造成连接处的疲劳破坏，因此将新型防泄漏磁流变阻尼器安装在变形最大处。其次，综合粘弹性材料阻尼力计算模型与普通磁流变阻尼器力学模型，建立新型防泄漏磁流变阻尼器输入电流与阻尼力之间的关系，并通过性能试验对力学模型进行验证，得到完整的新型防泄漏磁流变阻尼器力学模型。然后，求解防泄漏磁流变阻尼器与正交异性钢桥面板结构的耦合运动方程，建立正交异性钢桥面板振动响应与阻尼力之间的关系。最后编写模糊PID控制算法，将位移传感器得到的物理空间信号转化为模态坐标信号，通过dSPACE实时仿真系统输出控制信号，控制电流源输出电流作用于防泄漏磁流变阻尼器，使防泄漏磁流变阻尼器出力抵抗外界荷载，从而起到减振的作用。
优选的，所述防泄漏磁流变阻尼器包括：活塞杆和缸筒，所述活塞杆和所述缸筒之间填充粘弹性材料，并通过微波硫化技术将所述活塞杆和所述缸筒固定在一起。
优选的，通过求解所述防泄漏磁流变阻尼器与所述正交异性钢桥面板的耦合运动方程，建立所述正交异性钢桥面板的振动响应与阻尼力之间的关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法，通过对安装在正交异性钢桥面板下的防泄漏磁流变阻尼器施加电流，产生实时可变的阻尼力，减小正交异性钢桥面板的变形，从而减小结构振动响应的方法是完全创新的。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法流程示意图；
图2为本发明的防泄漏磁流变阻尼器的剖面图；
图3为本发明的基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法布置示意图。
其中：1、电极线；2、灌液口；3、缸筒；4、活塞杆；5、粘弹性材料；6、线圈；7、活塞；8、正交异性钢桥面板；9、dSPACE实时仿真系统；10、计算机；11、电流源；12、防泄漏磁流变阻尼器；13、位移传感器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。
实施例
参阅图2所示，为本发明的防泄漏磁流变阻尼器的剖面图，活塞杆4与缸筒3之间填充粘弹性材料5，通过微波硫化技术将缸筒3、粘弹性材料5和活塞杆4完全固结在一起。粘弹性材料5的厚度、粘结长度都需要根据实际情况加以设计。缸筒3之间还设置有活塞7，活塞7和活塞杆4相连。缸筒3的侧壁还设置有灌液口2，活塞杆4还连接有电极线1，活塞7的内部还设置有线圈6。
参阅图3所示，为本发明的基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法布置示意图。正交异性钢桥面板—防泄漏磁流变阻尼器减振系统由正交异性钢桥面板8、防泄漏磁流变阻尼器12、位移传感器13、dSPACE实时仿真系统9、电流源11与计算机10组成。
参阅图1所示，为本发明的基于防泄漏磁流变阻尼器的正交异性钢桥面板减振方法流程示意图，
具体实施步骤如下：
步骤一：分析正交异性钢桥面板的受力特点，确定桥面变形最大处，以此作为防泄漏磁流变阻尼器的安装位置。
步骤二：建立新型防泄漏磁流变阻尼器力学模型。
设防泄漏磁流变阻尼器的活塞截面周长为b，活塞部分的有效长度为l，活塞的有效面积为Ap，u为活塞的相对位移，v0为活塞速率，h为阻尼器间隙宽度，τy为磁流变材料的剪切屈服强度，η为磁流变材料的动力粘度，Q0为不考虑粘弹性材料翘曲变形时通过间隙的磁流变液流量，n为粘弹性材料块数，d为粘弹性材料厚度，As为粘弹性材料等效平面面积，G1、G2为粘弹性材料的储能模量和耗损模量，η2为粘弹性材料的损耗因子，t为时间，ω为激励频率。
1)首先建立常规磁流变阻尼器力学模型：
2)由于阻尼器腔内的流体压力会引起粘弹性材料的翘曲变形，从而影响磁流变液的间隙流量，进而影响间隙压力梯度。为了考虑粘弹性材料变形对间隙压力梯度的影响，引入压力梯度修正系数α(t)得到磁流变液所产生的阻尼力：
FΔV＝α(t)Fsv；
3)粘弹性材料本身是耗能阻尼材料，它作为密封器材使用后会改变装置的阻尼和刚度，其阻尼力计算公式如下：
根据标准线性固体模型，其模量与损耗因子的表达式如下:
其中q0、q1、p1为与粘弹性材料性质相关的系数。
4)综合粘弹性材料阻尼力计算模型与普通磁流变阻尼器力学模型，建立防泄漏磁流变阻尼器力学模型：
F＝α(t)Fsv+Fv；
5)根据性能试验，压力梯度修正系数也随电流的变化而变化，根据各个电流下的计算结果，简谐荷载下的修正系数拟合形式如下：
α(I,t)＝m(I)-n(I)|cos(ωt)|；
其中m(I)、n(I)为与电流相关的参数，由试验确定。
6)得到修正系数中两个电流参数之后，即可得到设计的阻尼器的完整力学模型：
F＝[m(I)-n(I)|cos(ωt)|]Fsv+Fv。
步骤三：求解防泄漏磁流变阻尼器与正交异性钢桥面板结构的耦合运动方程，建立正交异性钢桥面板振动响应与阻尼力之间的关系。
步骤四：编写模糊PID控制算法，将位移传感器得到的物理空间信号转化为模态坐标信号，通过dSPACE实时仿真系统输出控制信号，控制电流源输出电流作用于防泄漏磁流变阻尼器，使防泄漏磁流变阻尼器出力抵抗外界荷载，从而起到减振的作用。
当正交异性钢桥面板受外荷载作用时，本发明的减振系统便可以通过对防泄漏磁流变阻尼器施加电流产生阻尼力，从而实时地减小正交异性钢桥面板的变形，起到减小振幅的作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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