關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.陜西交通職業技術學院 建筑與測繪工程學院，陜西西安 710018；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055

地震是一種嚴重威脅著人類的生命與財產安全的突發性自然災害，我國位于世界的環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、強度大、震源淺、分布廣的特點[1]。地震災害直接帶來了建筑物損壞，所以建筑的抗震性能十分重要。建筑抗震設防措施的傳統做法一般是通過加強結構的強度、整體剛度或整體延性來抵御地震作用，即由結構自身儲存的抗力來耗散地震所傳給建筑的能量。地震的隨機性決定了采用這種抗震設防措施設計的結

構抗震“自我”調節能力弱、適應性差；另外，建筑結構通過自身儲存抗力來消耗地震能量，結構會局部破壞，且加固維修比較困難，經濟性差。因此，基于智能控制的新型結構抗震系統的研究很有必要[2-3]，為了增強我國工程建設的防災減災能力，尤其是提高大跨度結構的抗震能力，通過設計基于壓電摩擦阻尼器的智能控制系統來研究其抗震性能，具有重要的意義和價值。

壓電摩擦阻尼器的智能控制系統屬于結構智能控制的范疇，壓電摩擦阻尼器本身由壓電驅動器和摩擦阻尼器復合而成，兼備有感知、驅動及耗能的性能，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變小而阻尼滯后的缺點，具備了結構簡單、可靠性好、時滯小、出力大的特點。隨著壓電驅動器性價比的提高，它在土木工程結構智能控制系統的實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，反之由于電壓引起的材料變形稱為逆壓電效應，壓電材料的電學性質和力學性質間關系（機電耦合關系）可以用下列的壓電本構方程表示：

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

在公式（2）中：D—電位移(3×1)；εσ—當應力為常數時相應介電常數(3×3)。進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；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)與阻尼器的預緊力以及驅動器引起的緊固力相關，即：

公式（4）中 ：N0—摩擦阻尼器的預緊；K—壓電摩擦阻尼器形狀系數 ；E(t)—主動調節或的電場強；d33—壓電材料的壓電應變系數[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，壓電材料相應對摩擦阻尼器摩擦表面的壓力進行控制,能同步并及時地調節阻尼器的耗能能力。阻尼耗能過程主要是通過減慢結構內部相對位移來消耗地震傳給結構的振動能量，并且該裝置消耗能量的速度可以調節。

1.2 新型壓電變摩擦阻尼器的構造和優點

傳統壓電摩擦阻尼器的構造特點使得壓電驅動器在發生阻尼運動后復位困難，整體驅動器和阻尼面不封閉等。基于傳統壓電摩擦阻尼器的缺點，阻尼器的摩擦面形狀被設計為封閉的曲面，如圖1所示[5]，其構造特點是外形為圓筒形，壓電材料封閉在套筒中，預壓彈簧將阻尼器（內筒）與外套筒貼合，形成初始壓力；當地震來臨時，外部推拉桿拉力變化產生相對移動速度時，自感應壓電驅動器伸長變形，而預壓彈簧限制該變形，增加了外套筒內壁與阻尼器表面之間的正壓力，使阻尼作用增大；同時根據減振需要調節加在壓電材料驅動器上的電壓，就可以實現摩擦力的實時調節。這種新型壓電驅動器的構造簡單，驅動力大，復位快，因此有顯著的減振效果。

圖1 新型壓電變摩擦阻尼器的構造

2 智能控制系統

由智能控制算法編制程序，考慮正壓電效應作用，通過感應信號采集，產生電壓變化信號，并根據信號分析系統進行阻尼力計算、驅動力控制計算；在逆壓電效應作用下，進行反饋電壓計算，壓電驅動器做動，從而實現振動的半主動控制，程序思路如圖2所示。

圖2 智能控制單元算法程序圖

在上述結構主動控制和結構智能控制方面，結構控制系統算法研究有：模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法等。模糊控制以模糊集合以及模糊語言規則為基礎，根據操作人員的實際經驗知識，按照操作數據控制規則，利用模糊理論進行邏輯推理，對無法或難以建立精密數學模型的復雜對象進行有效控制；神經網絡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境，自適應能力較強，在多變量、高度非線性和大滯后系統建模和控制方面優勢明顯，遺傳算法是基于自然選擇與基因遺傳學原理的現代優化算法，構成了各種進化計算方法的基礎。

3 發展前景

壓電材料已在土木結構防震減災中得到應用，目前國內外學者在阻尼器研發、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動器方向發展，隨著智能材料的不斷發展和控制算法的不斷改進，在建筑結構抗震控制領域，抗震智能控制系統的研究將會更加深入。

4 結語

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

（2）新型壓電變摩擦阻尼器克服了傳統壓電摩擦阻尼器的缺點，具有外力能量小、整體驅動力大的特點，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。