【摘 要】
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随着现代结构工程和制造技术的飞速发展,大跨度斜拉桥、超高层建筑等大型工程结构在向长寿、多功能的方向发展。大型结构在施工和使用过程中,在环境侵蚀、材料老化、复杂荷载、疲劳效应等耦合作用下,将不可避免地使结构积累不同程度的损伤和抗力衰减,因此,研究人员实时监测结构的工作状态,当产生结构损伤或抗力衰减时,可实时获得结构的具体情况,必要时可发出警报,实现对工程灾变的预测和预报,为前期防灾、减灾措施提供科学
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随着现代结构工程和制造技术的飞速发展,大跨度斜拉桥、超高层建筑等大型工程结构在向长寿、多功能的方向发展。大型结构在施工和使用过程中,在环境侵蚀、材料老化、复杂荷载、疲劳效应等耦合作用下,将不可避免地使结构积累不同程度的损伤和抗力衰减,因此,研究人员实时监测结构的工作状态,当产生结构损伤或抗力衰减时,可实时获得结构的具体情况,必要时可发出警报,实现对工程灾变的预测和预报,为前期防灾、减灾措施提供科学的指导。同时,结构耗能减振技术也是土木工程结构的一大研究热点。摩擦阻尼器作为增加结构阻尼为主的被动耗能减振技术的一种,其技术与理论已趋于成熟,并投入到众多工程应用中。然而,结构健康监测系统与结构耗能减振系统相互独立,导致系统复杂、成本高、可靠性低。如何将健康监测系统与耗能减振系统有机结合成为亟待解决的问题。近年来,智能驱动材料与控制装置的研究成为结构耗能减振领域的新热点,使结构与其感知、驱动和执行部件一体化的减振控制智能系统设计成为可能。本文设计了一种新型的自感知摩擦阻尼器,将摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)和经典的摩擦阻尼器相结合,利用摩擦纳米发电机无需额外的传感器就可以将机械刺激转换为电信号的特性,设计出集感知、减振能力一体化的新型摩擦阻尼器,解决现阶段结构健康监测系统和耗能减振系统相互独立、传感器数量多、系统复杂、后期维护困难的问题。具体内容和主要结论如下:(1)基于摩擦起电原理和传统的摩擦阻尼器,提出了一种自感知摩擦阻尼器,从结构、制备、绝缘处理、摩擦材料选择多方面进行设计。通过COMSOL模拟,证明自感知摩擦阻尼器在滑动过程中电势和总电能随着滑动距离的增加而增大,且电势的最大值出现在两板分离的两端处,指导试件设计时导线布置在两端分离处,保证电信号的强度和稳定。(2)通过试验研究自感知摩擦阻尼器在不同工况下的阻尼耗能性能,试验结果表明,自感知摩擦阻尼器的阻尼耗能良好,在不同速度工况下,各圈耗能在300J左右,基本不受速度影响,随着加载位移和摩擦力的增大,阻尼耗能性能明显提升,其中,加载位移从8mm增大到16mm时,各圈耗能从233J增大到505J;摩擦力从10k N增大到20k N时,各圈耗能从605J增大到1080J。(3)通过试验研究自感知摩擦阻尼器在不同工况下的自感知性能。试验结果表明,自感知摩擦阻尼器的电压和位移、电流和速度之间呈线性正相关关系,其中不同位移工况下,电压和位移之间的感知灵敏度平均值为0.48923mm/m V,不同速度工况下,电流和速度的感知灵敏度平均值为0.08847(mm/s)/n A;电压随摩擦力增大而减少;电流和位移、摩擦力之间没有明显相关性。
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