蘇 超，楊 旸

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)

0 引 言

抽水蓄能電站具有高水頭、高轉(zhuǎn)速、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、過渡過程復(fù)雜等特點(diǎn)，機(jī)組振動誘發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)的振動問題較常規(guī)電站更為突出，已成為廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題之一[1]。目前，我國建成運(yùn)行的多座抽水蓄能電站，均出現(xiàn)了不同程度的振動問題[2-3]。激烈的振動會損害廠房結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水電站不能完全發(fā)揮效益。磁流變阻尼器由于其耗能低、阻尼力大、響應(yīng)快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為新一代土木工程結(jié)構(gòu)控制裝置，展現(xiàn)出了良好的運(yùn)用前景。目前磁流變阻尼器在土木工程方面，如橋梁、建筑、海洋平臺等得到了初步的運(yùn)用，取得了較好的減振效果[4- 6]；但目前還沒有被運(yùn)用在水電站廠房結(jié)構(gòu)的減振中。

本文針對抽水蓄能電站廠房振動特點(diǎn)，提出了一種基于磁流變阻尼器的廠房結(jié)構(gòu)智能減振控制方法。通過對ABAQUS平臺進(jìn)行二次開發(fā)，并以某已建抽水蓄能電站為研究對象，重點(diǎn)對廠房發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行被動控制和半主動控制研究；研究結(jié)果為利用磁流變阻尼器進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)的減振控制研究提供了新的方法和依據(jù)。

1 基于磁流變阻尼器智能減振方法

1.1 抽水蓄能電站廠房智能減振控制方法

與常規(guī)水電站相比，在抽水蓄能電站在運(yùn)行過程中，水泵水輪機(jī)肩負(fù)著抽水和發(fā)電的功能；因此，抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)經(jīng)常通過開關(guān)機(jī)來轉(zhuǎn)換工況。而在這個過渡過程中，機(jī)組變化劇烈，水流流態(tài)復(fù)雜，對機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性影響劇烈[7]。針對抽水蓄能電站廠房振動特點(diǎn)，本文提出了基于磁流變阻尼器的廠房結(jié)構(gòu)智能減振控制方法(見圖1)。當(dāng)傳感器監(jiān)測到振動響應(yīng)大于響應(yīng)閥值時，該方法通過控制器打開磁流變阻尼器對廠房進(jìn)行減振控制。當(dāng)振動響應(yīng)小于響應(yīng)閥值時，控制器關(guān)閉磁流變阻尼器電流，從而讓廠房結(jié)構(gòu)度過振動劇烈時段。

圖1 磁流變阻尼器廠房智能振動控制方法

1.2 磁流變阻尼器及其力學(xué)模型

磁流變阻尼器是利用磁流變效應(yīng)工作的新型智能減振元件。其裝置簡單、耗能低、響應(yīng)快、阻尼大、動態(tài)范圍廣，可以通過電流來控制阻尼力；因此可以良好地與控制系統(tǒng)結(jié)合。即使在控制系統(tǒng)失效的情況下也可作為被動控制器，具有較強(qiáng)的可靠性。

Bouc-Wen模型[8]能夠準(zhǔn)確地反映磁流變阻尼器在低速時的非線性性能和模擬磁流變阻尼器的滯回特性，且通用性強(qiáng)，易于數(shù)字化建模。因此，本文選用Bouc-Wen模型(見圖2)來建立磁流變阻尼器力學(xué)模型。

該模型阻尼力

(1)

(2)

圖2 Bouc-Wen模型示意

式中，α為與磁流變屈服應(yīng)力相關(guān)的模型參數(shù)；k0為彈簧剛度；F為磁流變減振器阻尼力；c0為磁流變材料屈服后黏性系數(shù)；x為磁流變阻尼器活塞和缸體的相對位移；z為滯變位移；n為曲線圓滑系數(shù)；x0為彈簧的初始變形；A，β，γ為常數(shù)，由磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)特性決定。

本文選用文獻(xiàn)[9]中美國LORD公司生產(chǎn)的RD- 8041-1MRD型磁流變阻尼器進(jìn)行減振控制研究，其Bouc-Wen模型

(3)

(4)

其中，α=143.80+14 37I；c0=0.85+2.79I。I為電流。因此，可以通過控制I來改變F的大小。本次選用的磁流變阻尼器最大輸入電流為1.0 A。

1.3 磁流變阻尼器減振控制方法實(shí)現(xiàn)

目前，對于磁流變阻尼器減振控制的理論研究，一般需要建立結(jié)構(gòu)的運(yùn)動微分方程和狀態(tài)方程，進(jìn)而對其進(jìn)行數(shù)值求解。對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的微分方程和狀態(tài)方程難以建立；因此無法對真實(shí)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行有效模擬仿真。而采用ABAQUS對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真不需要建立系統(tǒng)的微分方程狀態(tài)方程；并且采用瞬態(tài)動力學(xué)方法對復(fù)雜系統(tǒng)的振動控制計算時，可以同時考慮材料非線性、幾何大變形等影響。因此，本文采用Bouc-Wen模型對磁流變阻尼器進(jìn)行建模，通過對大型有限元通用軟件ABAQUS進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了磁流變阻尼器的被動控制和半主動控制。

圖3 基于ABAQUS的磁流變阻尼器減振控制計算流程

(3)將控制力F通過全局變量COMMON塊傳入到子程序DLOAD中，從而將控制力F施加到相應(yīng)的控制區(qū)域。

(4)對每個增量步重復(fù)上述過程，直到程序結(jié)束。

1.4 磁流變阻尼器半主動控制策略

半主動控制兼主動控制優(yōu)良的控制效果和被動控制的簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了主動控制需要大量能量和被動控制調(diào)諧范圍窄的缺點(diǎn)。因此，半主動控制具有較大的研究和運(yùn)用開發(fā)前景[10]。本文結(jié)合常用的簡單Bang-Bang 控制算法[11]，對廠房進(jìn)行半主動控制研究。 即

(5)

簡單Bang-Bang算法主要操作為：當(dāng)結(jié)構(gòu)背離平衡位置振動時，磁流變阻尼器向結(jié)構(gòu)施加最大的阻尼，即采用最大的電流；當(dāng)結(jié)構(gòu)向平衡位置振動時，磁流變阻尼器向結(jié)構(gòu)施加最小阻尼力，即關(guān)閉電流。因此，簡單Bang-Bang相當(dāng)于Passive-off和Passive-on控制，控制算法實(shí)際的主動變阻尼力跳動于這兩者之間。亦即，過大阻尼力的變化，會導(dǎo)致加速度的突變，但可以通過提高施加最小阻尼系數(shù)的電流來改善該情況。

2 工程實(shí)例

2.1 廠房模型及邊界條件

已知某已建抽水蓄能電站總裝機(jī)1 800 MW，安裝6臺單機(jī)容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水輪發(fā)動機(jī)組；發(fā)電機(jī)機(jī)額定轉(zhuǎn)速是500 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速是725 r/min。本文選取4號機(jī)組段建立有限元計算模型(見圖4)來進(jìn)行地下廠房的模態(tài)分析和動力響應(yīng)分析。模擬尾水管及其周圍混凝土、蝸殼及其周圍混凝土、座環(huán)、機(jī)墩、橫梁、上下游邊墻和立柱等。坐標(biāo)原點(diǎn)定在發(fā)電機(jī)層中心位置，坐標(biāo)系x方向?yàn)閺S房縱軸線方向；y方向?yàn)樯舷掠畏较?；z方向?yàn)樨Q直向上。廠房結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1。其中，廠房樓板、梁、柱子、機(jī)墩、風(fēng)罩、蝸殼外圍混凝土強(qiáng)度等級為C30，其余部分混凝土強(qiáng)度等級為C25。本文進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)減振控制時，邊界條件設(shè)置上下游圍巖與混凝土接觸面假定為彈性支撐，在接觸結(jié)點(diǎn)上施加彈性水平約束，圍巖彈模取E=10 GPa，相應(yīng)的單位彈性抗力系數(shù)為80 MPa/cm計算模型底部施加固端約束。

圖4 廠房整體網(wǎng)格模型

材料名稱靜彈性模量E/104 MPa重度γ/kN·m-3泊松比μ鋼20.610 078.00.300C25混凝土2.801 025.00.167C30混凝土3.001 025.00.167

2.2 廠房振動標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外學(xué)者對水電站廠房的振動問題進(jìn)行了分析研究，對廠房結(jié)構(gòu)振動中所涉相關(guān)的建筑、設(shè)備、儀器以及人體健康等的振動控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論證，提出了廠房結(jié)構(gòu)振動控制標(biāo)準(zhǔn)建議值[12-13]。本文根據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，并參照有關(guān)行業(yè)規(guī)范，擬以表2作為廠房建筑物允許振動的標(biāo)準(zhǔn)參考值。

表2 廠房結(jié)構(gòu)振動控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 廠房結(jié)構(gòu)各部位最大響應(yīng)

2.3 廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

本節(jié)重點(diǎn)對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析，機(jī)組設(shè)備荷載見表3。通過計算各部位的振動規(guī)律和強(qiáng)度，為采用磁流變阻尼器對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振研究提供依據(jù)。表4給出了廠房結(jié)構(gòu)各部位的最大響應(yīng)結(jié)果，從表中可以看出，主廠房結(jié)構(gòu)的整體位移響應(yīng)較小，各部位振幅均小于0.2 mm。主廠房主要構(gòu)件各部位動響應(yīng)均表現(xiàn)為豎直方向較大，水平方向較小。發(fā)電機(jī)層豎直向速度響應(yīng)值大于3.2 mm/s，且豎向加速度大于0.64 m/s2，在該短暫時間內(nèi)上述部位人體可能會有不舒適感。機(jī)墩豎向加速度大于1.0 m/s2，其余各部位速度、加速度響應(yīng)均滿足振動控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此發(fā)電機(jī)層樓板振動較為明顯，其豎向速度和加速度均超過了廠房抗振標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 機(jī)組設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN

2.4 發(fā)電機(jī)層樓板智能減振控制研究

磁流變阻尼器一般安裝在梁、柱上去控制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。為了獲得更好的減振效果，磁流變阻尼器應(yīng)安裝在結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大的區(qū)域；同時應(yīng)考慮使質(zhì)心和剛心盡量對稱原則，以及結(jié)構(gòu)空間使用的要求[15]。通過廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，可知發(fā)電機(jī)層樓板在機(jī)組荷載作用下豎向振動明顯，速度和加速度響應(yīng)超過了廠房振動標(biāo)準(zhǔn)。因此，基于磁流變阻尼器的安裝布置經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合發(fā)電機(jī)層樓板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取12個磁流變阻尼器對廠房發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行減振研究，具體安裝位置如圖5所示。

圖5 磁流變阻尼器安裝位置示意

本節(jié)采用本文提出的抽蓄蓄能電站廠房智能減振控制方法，通過被動控制Passive-off、Passive-on(I=0.5 A)和半主動控制三種方法，對發(fā)電機(jī)層樓板進(jìn)行減振控制研究。表5給出了發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)值，對于豎向位移，Passive-off、Passive-on、半主動控制的響應(yīng)分別減小了0.27%、1.05%、1.39%；對于豎向速度，分別減小了3.75%和14.81%、15.43%；對于豎向加速度，分別減小了2.26%、11.71%、14.81%?？梢?，采用磁流變阻尼

表5 發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)值

注：括號內(nèi)為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

器可以明顯減小發(fā)電機(jī)層樓板整體最大響應(yīng)。其中，采用Passive-on和半主動控制進(jìn)行減振時，發(fā)電機(jī)層樓板的整體響應(yīng)減小到振動標(biāo)準(zhǔn)值以下。

為了更好地展現(xiàn)磁流變阻尼器的減振效果，本文選取了發(fā)電機(jī)層樓板的3個典型點(diǎn)。即，無控情況下的最大豎向位移響應(yīng)點(diǎn)、最大豎向速度響應(yīng)點(diǎn)和最大豎向加速度響應(yīng)點(diǎn)。表6給出了發(fā)電機(jī)層樓板典型點(diǎn)的最大響應(yīng)值，對于豎向位移最大響應(yīng)點(diǎn)，Passive-off、Passive-on、半主動控制的響應(yīng)分別減小了0.27%、1.58%、2.34%；對于最大豎向速度響應(yīng)點(diǎn)，分別減小了3.75%和19.30%、31.15%；對于最大豎向加速度響應(yīng)點(diǎn)，分別減小了2.26%、11.85%、17.49%。圖6～8給出了3個典型點(diǎn)的時程曲線，從圖中可以看出，本文提出的磁流變阻尼

表6 發(fā)電機(jī)層樓板典型點(diǎn)的最大響應(yīng)值

注：括號內(nèi)為減振效果，即(無控情況-有控情況)/無控情況。

圖6 豎向最大位移響應(yīng)點(diǎn)時程

圖7 豎向最大速度響應(yīng)點(diǎn)時程

圖8 豎向最大加速度響應(yīng)點(diǎn)時程

器智能減振方法能有效減小結(jié)構(gòu)峰值區(qū)域的響應(yīng)。3種控制算法中，半主動控制算法的減振效果最優(yōu)，被動控制中Passive-on的減振效果優(yōu)于Passive-off。

3 結(jié) 論

(1)本文基于Bouc-Wen模型，提出了基于ABAQUS平臺的磁流變阻尼器減振的計算方法，該方法簡單易行，只需通過控制磁流變阻尼器的電流和大小就能實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器的被動控制和半主動控制。

(2)本文基于抽水蓄能電站廠房振動特點(diǎn)，提出了基于磁流變阻尼器的智能減振方法。該方法能夠有效減小廠房結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)，發(fā)電機(jī)層的豎向速度和加速響應(yīng)有效減小到標(biāo)準(zhǔn)值以下。

(3)3種控制算法中，半主動控制算法的減振效果最優(yōu)，被動控制中Passive-on的減振效果優(yōu)于Passive-off。