بررسي دامپرهاي مگنتورئولوژيك براي شبيه سازي اكيب زمين لرزه

چكيده:
در بررسي هاي اخير، كارايي وسايلMC براي تعديل پاسخ زلزله أي از لحاظ تجربي و تحليلي شده داده شده است. بررسي هاي قبلي بررسي كاربرد يك دامپر MR واحد براي كنترل يك ساختمان چند طبقه متمركز گرديد. يك الگوريتم كنترل بهينه شده توسط تراشه بر اساس بازخورد شتاب براي

استفاده با دامپر MR توسعه يافت. بررسي هاي تحليلي، اين روش را به حالتي توسعه داد كه در آن دامپرهاي مختلفي بكار برده مي شوند. كانون اين بررسي، تاييد تجربي و آزمايش اين نتيجه با استفاده از دستگاههاي MR مختلف براي كنترل يك ساختمان است. آزمايشات در لابراتوار

مهندسي زلزله و كنترل ساختاري دانشگاه واشنگتن، انجام مي شوند. نتايج آزمايشي نشان مي دهند كه دامپرهاي MR مختلف مي توانند بطور موثر براي كاهش پاسخ هاي يك سازه بكار بروند.

۱ـ مقدمه:
دامپرهاي MR وسايل نيم ـ فعالي هستند كه تركيب خوبي از ويژگي هاي
مطلوب را ارائه مي كنند و كاربرد مهندسي ساختمان جالبي دارند. آنها به حداقل نيرو احتياج دارند و مي‌توانند به سرعت به تغييرات در ورودي كنترل پاسخ دهند و نسبتاً ارزان هستند و كاملاً قابل اطمينان مي باشند. زيرا قطعات متحرك كمي دارند. بعلاوه، بررسي هاي اخير بر روي يك دامپر ۲۰ تني MR در دانشگاه نوتردام نشان داده اند كه اين دستگاه ها نيروهاي با بزرگي لازم را براي

كاربردهاي كنترل ساختاري در مقياس كامل، فراهم مي نمايند. ولي. چون اين دستگاهها غير خطي هستند، يكي از چالش ها در كاربرد اين فن آوري به توسعة الگوريتم هاي كنترل مناسب مربوط مي شود. بررسي هاي تحليلي نشان داده اند كه عملكرد سيستم هاي كنترل بر اساس دامپرهاي MR وابسته به انتخاب الگوريتم بكار رفته است. در يك بررسي اخير، يك دامپر MR واحد بكار رفته همراه با يك الگوريتم كنترل بهينه شده توسط تراشه در كاهش پاسخ هاي يك ساختمان چند طبقه، موثر بوده است.

بررسي هاي بعدي نشان داده اند كه اين الگوريتم براي كنترل دستگاههاي نيم ـ فعال چند گانه در يك ساختمان، مفيد بوده است. عملكرد سيستم كنترل نيم ـ فعال نشان دهندة سازگار بودن سيستم ها مي باشد. در اين بررسي، آزمايشات براي بررسي كاربرد دامپرهاي MR چندگانه در يك ساختمان، انجام مي شوند. آزمايشات در لابراتوار مهندسي زلزله و كنترل ساختاري دانشگاه واشنگتن انجام شده اند. چهار دامپر MR حالت ـ برش براي كنترل يك ساختمان شش طبقه در

معرض شتاب جاذبة تك محوري، بكار برده مي شوند. دستگاههاي كنترل بين طبقة همكف و طبقه اول ساختمان و بين طبقات اول و دوم ساختمان ، قرار داده مي شوند. نتايج نشان مي دهند كه دامپرهاي MR مي توانند براي كاهش پاسخ هاي زلزله أي يك ساختمان بكار برده شوند.
۲ـ برپا كردن دستگاه آزمايش:بررسي هاي آزمايشي در لابراتوار مهندسي زلزله و كنترل ساختمان دانشگاه واشنگتن انجام شدند و از يك شبيه ساز زلزله استفاده گرديد كه قادر به اعمال حركت توليد شده توسط يك زلزله به يك سيستم ساختماني است.

شبيه ساز زلزله بر روي يك جرم بتن ۴۵۰۰۰ كيلوگرم(۱۰۰۰۰۰ lb) قرار دارد كه از كف جدا شده است. شبيه ساز شامل يك ميز لغزنده آلومينيمي با ياتاقان هاي غير اصطكاكي است. ميز لغزنده توسط سيستم هيدروليك حركت مي كند كه از يك فعال كننده هيدروليك ۸۰KN ، دو سيستم ۱۶۲m ISTبا IS شيرهاي سرووGPM ، يك مانيفلد جانبي S910 تشكيل شده است. شبيه ساز زلزله، داراي يك دامنه فركانس عملياتي ۰-۵۰Hz است و مي تواند به سرعت هاي بيش از

۷۵cm/sec (30cm/sec) برسد و قادر به اعمال شتاب هاي بزرگتر از g4 براي يك بار آزمايش۹۰۰kg(1Ton) مي باشد. دستگاههاي MR بكار رفته در اينجا از نوع دستگاه هاي نسخة اصلي است كه بطور طرح گونه در شكل ۱ نشان داده مي شود و از شركت Lord براي بررسي و ارزيابي بدست آمده است. دستگاه شامل دو صفحه ورق است كه موازي با يكديگر قرار داده شده اند. ابعاد دامپر ۴٫۴۵*۱٫۹*۲٫۵cm است. حوزة مغناطيسي توسط يك الكترو مغناطيس توليد مي شود كه شامل يك سيم پيچ است كه در يك سر دستگاه بسته شده است. نيروها وقتي توليد مي شوند كه صفحات متحرك، با پوشش يك فوم اشباع شده با سيال MR ، بين دو صفحة موازي،

حركت نمايند. نيروي بكار رفته براي دستگاه توسط يك منبع تغذيه ولتاژ منظم اعمال مي شود كه يك مدولاتور پهناي پالس (pwm) را به حركت در مي آورد. pwm پالس هاي ولتاژ را براي دامپر MRبا فركانس بزرگتر از ۲۰KHz بكار مي برد، و سيكل كار هر پالس وابسته به ولتاژ فرمان براي مدار است.
مدار طوري كاليبره شده است كه يك سيگنال فرمان ۵V مربوط به سيكل كار ۱۰۰% است. زمان افزايش سيستم، كه توسط مقاومت و خود القايي خود سيم پيچ تعيين مي شود، تقريباً ۱۲msec است. صفحات خارجي دستگاه MR ، ۰٫۶۳۵cm از يكديگر فاصله دارند. و ظرفيت نيروي دستگاه آزمايش، يك صفحة مركزي با ضخامت ۰٫۴۹۵cm انتخاب مي شود كه منجر به يك فاصله ۰٫۰۷۱cm مي گردد. حداكثر نيروهاي توليد شده در هر دستگاه تقريباً N20 بود. ساختمان آزمايش بكار رفته در اين آزمايش از يك قاب فولادي و در شش طبقه مي باشد. ( شكل ۲). ساختمان ۱۸۰cm بلندي دارد و داراي جرم kg147 (325lb) است كه بطور يكنواخت در بين طبقات توزيع شده است.

دامپرهاي MR مود برش، بين طبقه هم كف و طبقه اول واقع است و بين طبقات اول و دوم ساختمان قرار دارد. دو دامپر بر روي هر كدام از دو طبقه استفاده مي شوند. تعدادي از حسگرها در ساختمان مدل براي استفاده در تعيين محل كنترل نصب مي شوند. شتاب سنج هاي واقع بر روي طبقات اول، دوم، چهارم و ششم اندازه گيري هاي شتاب مطلق را فراهم مي نمايند و يك

آشكار ساز نيرو بطور سري( متوالي) با يك دامپر MR در هر طبقه قرار داده مي شود تا نيروي كنترل f بكار رونده براي سازه را اندازه گيري كنند. فقط اين شش اندازه گيري (مقدار) در الگوريتم كنترل استفاده مي
شوند يك نمودار طرح گونه دستگاه در شكل ۳ ديده مي شود.
براي تحصيل اطلاعات. آزمايشگاه داراي يك تحليل گر سيستم و سيگنال ديناميك ۲۰-۲۴ از فن آوري DSP است كه يك دستگاه بر اساس DSP است كه مي تواند چهار كانال ورودي را اندازه بگيرد و دو سيگنال خروجي را فراهم كند و فيلترهاي مخصوص دارد و مي تواند زوم نمايد و يك دامنة پويايي ۹۰dB نيز دارد. ويژگي ها شامل يك ژنراتور تابع، اسيلوسكپ، تحليل گر طيف و غيره است.

اجراي كنترل كننده متمايز با استفاده از سيستم اجراي كنترل بلادرنگ تهيه شده توسط dspau اجرا مي شود. سيستم براي توسعة آسان مدولار است. و شامل يك بورد ۳۲A/D كانالي، يك بورد ۶D/A ، كانالي، يك بورد پردازش سيگنال ديجيتال (DSP) بر روي تراشه ۸۰MHz مي باشد. كنترل كننده هاي توسعه داده شده در MATLAB مي توانند فوراً به بورد DSP با استفاده از كارگاه بلادرنگ ارسال و دريافت شوند.

۳ـ تعيين هويت سيستم: در بررسي فعلي يك سري از روش هاي بار رفته در مقاله spencer و Dyke براي تعيين هويت يك مدل سيستم استفاده گرديد. روش بكار رفته براي مدل بندي اين سيستم ها در بخش هاي زير شرح داده مي شود.

۱ـ۳ـ دامپرهاي MR مود برش يك قاب نيرو براي حصول اطلاعات مورد نياز براي توسعه يك مدل از دستگاه هاي MR مود واحد استفاده شدند. قاب بار از يك فعال كننده هيدروليك وسترن شور ۲kip براي بكار بردن نيروها براي دستگاه MR استفاده مي كند كه بطور سري با يك آشكار ساز نيرو قرار داده مي شود كه توسط شركت PCB ساخته شده است.

يك عكس از قاب بار ( نيرو) در شكل ۴ ارائه مي شود. پاسخ ورودي جابجايي براي يك مجموعه از يك دستگاه MR ارائه كرده است. دامپر بكار رفته در اين بررسي از سيال MR در مود ـ سوپاپ استفاده كرد. بنابراين ، دستگاه داراي دو محفظة پر شده با مايع MR بود و نيروها توسط هدايت مايع در داخل يك سوراخ در پيستون، توسعه داده شدند بعلاوه، دستگاه داراي يك انباره براي

جلوگيري از كاهش سيال( مايع) بود. مدل پيشنهاد شدة دستگاه. ويژگي هاي دستگاه را در بر داشت. يك فنر در مدل قرار داده شد تا رفتار ناشي از انباره و نشت اطراف پيستون را كنترل نمايد. دستگاه هاي MR بكار رفته در اين بررسي از نوع دامپرهاي مود ـ برش هستند. بر اساس پاسخ هاي سنجيده شدة آزمايشي دامپر، اين مدل قبلي براي مدل سازي دامپر كافي نبود. براي بدست آوردن رفتار اين دستگاه، مدل مزبور در بررسي هاي قبلي تعديل گرديد. اجزاي اين مدل مربوط به انباره و نشت. حذف شدند. مدل مكانيكي حاصل در شكل ۶ ديده مي شود. نيرو در اين سيستم چنين داده مي شود.

كه متغير چنين نشان داده مي شود
با تنظيم پارامترهاي مدل ، ، و A شخص مي توند خطي بوادن را در بار برداري و هموار بودن انتقال از ناحية قبل از تسليم به بعد از تسليم، كنترل نمايد.
براي استفاده از دستگاه براي مقاصد كنترل، يك مدلي لازم است كه قادر به پيش بيني رفتار دامپر MR براي يك ورودي فرمان متغيرـ زمان باشد. بنابراين، وابستگي عملياتي پارامترها به ولتاژ فرمان، تعيين شدند، روابط زير پيشنهاد مي شوند.

بعلاوه، همانطور كه قبلاً ذكر گرديد، مقاومت و خود القاء در مدار پويايي ها را به سيستم معرفي و وارد مي نمايد. اين پويايي ها بصورت يك تاخير زمان در پاسخ دستگاه به تغييرات در ورودي فرمان، مشاوره مي شوند. اين پويايي ها براي فيلتر مرتبه در نظر گرفته مي شود.