[摘要] 第一章绪论1 1 课题研究背景我国所处的地理环境复杂，被全球
第一章绪论
1.1 课题研究背景
我国所处的地理环境复杂，被全球最活跃的两大火山地震带围绕，东邻环太平洋火山地震带，南与欧亚火山地震带相接，国土面积庞大，导致地震分布也相当的广泛，而且地震情况相对比较复杂，其突发性、不确定性，也使得人类的生命安全和财产安全受到严重威胁[1]。地震资料表明，支撑结构在地震中受到破坏犹为严重如图 1.1 所示，其“头重脚轻”的结构特性，在地震作用下在支撑柱与上部结构的连接部位首先产生破坏，导致结构的整体性遭到破坏，从而发生倒塌事故。因此，怎样提高支撑结构的抗震性能，提高其抵抗自然灾害的能力，是土木工程领域研究人员面临的巨大挑战，也是整个土木工程领域的重要研究课题。生命线工程，指维持城市生存功能的系统和对国计民生有重大影响的工程，主要包括供水、排水系统的工程，电力、燃气及石油管线等能源供给系统的工程；电话和广播电视等情报通信系统的工程；大型医疗系统的工程以及公路、铁路等交通系统的工程等等，都是所谓的生命线工程，有着举足轻重的地位[2]。其中，电力系统是国家生命线工程的重要组成部分，在国民经济生活中占有重要地位，而且现在人们的生产生活对于电能的依赖越来越强，供电系统和变电基站规模也越来越大，电力设施也越来越多。但是，若在地震中电力系统设备一旦遭到破坏，使得电力系统瘫痪，不仅造成巨大的经济损失，影响人们的日常生活、重要设备的运转，而且还会引起一系列的次生灾害，对于震后的救援等工作带来极大困难。在以往的地震灾害中，电力系统破坏，电器设备的损害及其严重如图 1.2 所示。1976 年，中国唐山发生 7.8 级大地震，造成多地高压电气设备的毁灭性破坏，尤其是 110kV、220 kV 断路器的瓷套管在中下部或者根部发生严重断裂，220 kV 瓷吹避雷器根部折断，不仅造成电力系统的瘫痪，而且对于后续救援造成巨大的阻碍，导致直接经济损失 100 多亿元[3]；1994 年美国洛杉矶北岭大地震，震级 6.7 级，地震持续 30 秒，造成 10 座发电厂，40 多余变电站和 500 百余条供电线路严重破坏，10 余台 500kV 的断路器和 6 台 220kV 的瓷套管避雷器发生倒塌，5 台 120KV 断路器的钢结构支架处直接折断，造成大面积停电，经济损失近 70 亿元[4]；1995 年日本阪神7.2 级地震，地震释放的能量巨大，震源较浅，造成变压器倾斜倒塌，50 余条输电路线破坏、5 台 440 kV 避雷器等一些高压断路器、变压器遭受破坏，电力公司的损失达到 3200 亿日元；2008 年汶川 8.0 级地震，造成 171 处变电站的严重损坏，其中 17座完全损坏，2 座 220kV、2 座 110kV 和 1 座 35kV 需要恢复重建，其余 2 座 220kV、1 座 500kV、3 座 110kV 和 6 座 35kV 变电站需要规划重建，震区周边几乎全部停电，造成四川电网直接经济损失约 106.5 亿元[5]；2010 年，青海玉树发生 7.1 级地震，造成 2698 人死亡；12000 多人受伤，70 人失踪，直接经济损失 3 亿元，由于电力系统遭受破坏，供电中断，导致救援困难；2013 年 4 月 20 日芦山地震，震级 7.0 级，震区 3县所有电网垮网，经济损失巨大[6]。
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1.2 国内外研究现状
目前，国内外对于电气设备结构体系抗震研究甚少，少数学者或研究人员也主要集中在研究输变电电气设备的模拟振动台真型试验和有限元模拟分析。近年来地震发生的频率高，破坏严重，电气设备结构体系也面临着前所未有的挑战，足尺真型试验和有限元模拟作为一种直接的研究手段，被国内外学者大量采用。谢强等通过真型振动台试验研究了变压器—套管体系地震响应机理，分析了法兰套管在不同地震作用下的加速度响应，并找出了出现破坏的主要原因和相应的解决办法[8]；曹枚根等对变压器变压器—套管体系的自身抗震和其基础底层隔震进行了研究，表明升高支座对于套管的动力放大系数有放大作用[9]；卢智成、代泽兵等对特高压变电设备的抗震性能进行振动台试验，结合理论分析、数值分析得出一系列适合于特高压变电设备抗震的评价性能指标，对振动台试验应用于我国特高压变电设备进行抗震性能检测进行了肯定[10]；Villaverde 等通过现场测试和有限元模拟研究了 500kV 变压器的动力性能和套管在法兰处的放大系数，表明 500kV 套管的动力放大系数小于 2.0，而 230kV 套管的动力放大系数大于 2.0[11]。赵明帅、李洪泉等对高压开关设备抗震性能进行了振动台试验，表明断路器与母线相连接部位的地震响应较为强烈，为此结构体系的薄弱环节，对于断路器与母线连接处的设计提供了建设性意见[12]；Fillatrault 等通过一台 525kV 变压器—套管体系试验研究和数值分析，得出变压器顶盖的柔度严重减低了其固有频率，导致根部加速度放大[13]；朱瑞元等以位移和加速度响应设防目标，来设计了变电设备隔震参数，对于变压器的基础隔震具有借鉴意义[14]；王社良、张明明等进行了 420kV 无间隙金属氧化物避雷器、500kV 电容式电压互感器等多种电气设备结构体系的抗震性能试验和分析，对于结构体系的薄弱部位进行了详细的研究[15]；Koliou 等通过试验和有限元模拟分析，表明采用角钢加劲变压器箱体顶盖来加固套管基础锚固刚度的简易方法，可以改善结构体系的抗震性能[16]。
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第二章自适应混合免疫克隆算论理论
2.1 生物免疫系统
生物免疫系统是生物集体的一种对外界环境特异性的生理反应，能够自动识别自身与清除抗原性入侵来维持自身非平衡耗散结构组织体的稳定[42]。其包括非特异性免疫和特异性免疫，非特异性免疫作为人体的第一道和第二道防线，主要依靠皮肤、黏膜、体液和吞噬细胞等对外侵抗原进行消灭，对于一些非特异性免疫消灭不了的病原体，则被巨噬细胞吞噬并且在酶的催化下分解成为为多肽，MHC 蛋白质分子将其粘附携带后递呈于巨噬细胞表面，形成非自体 MHC-肽复合体抗原，以向CD4+T 细胞传导信号；适应式免疫系统中的 CD4+T 细胞识别出 MHC-肽复合体抗原并与之结合，向 CD8+T 细胞传导信号；受激活的 CD8+T 细胞立即做出反应释放淋巴因子，进一步向 B 细胞传导信号，同时刺激并摧毁靶细胞；由淋巴因子唤醒的 B 细胞若成功识别出剩余的病原体抗原刺激，被激活的 B 细胞将会进行克隆、增殖与分化，释放出大量的浆细胞和记忆 B 细胞，并由浆细胞分泌出更多的抗体，即为克隆选择过程；这些抗体将会包围其他剩余的抗原形成抗原复合体，最终将全部抗原灭活和清除[43]。
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2.2 人工免疫算法
由许多分布式的具有一定功能的个体（T 细胞、B 细胞、抗体和细胞因子等）通过相互作用形成的一个复杂的动态大系统，具有个体特异性（一种免疫细胞仅对特定的抗原起作用）和整体多样性（免疫系统几乎对所有抗原都能进行处理）的双重特点，具备学习、记忆、自我调整、模式识别和特征提取能力。其基本流程如图 2.2所示。首先，免疫系统确认抗原入侵，激活记忆细胞产生抗体，清除以前出现过的抗原，从包含最优抗体(最优解)的数据库中选择出 N个抗体；其次，计算抗体和抗原之间，抗体与抗体之间的亲和力，与抗原有最大亲和力的抗体加入记忆细胞，由于记忆细胞数目有限，新产生的抗体将会代替记忆细胞中和它具有最大亲和力者，高亲和力抗体受到促进，高密度抗体受到抑制；最后，产生出最佳抗体，得出满意解，流程结束[44]。克隆选择是生物体对抗原自适应的一个动态过程。1958 年，着名学者 Burnet 在结合生物免疫系统的强大功能上率先提出了克隆选择学说，其核心思想是：当受到抗原刺激时，细胞表面受体识别并结合抗原，从来使得细胞增殖分化，只有识别抗原的抗体才能被选择增殖。在抗体特异性相同的细胞群体中，一部分被克隆分化为抗体细胞，另一部分形成记忆细胞储存参与免疫应答，借助克隆操作使其激活、分化、增殖，使抗体群规模增大，通过免疫应答最终清除抗原。
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第三章压电摩擦半主动控制系统试验与研究......25
3.1 压电材料性能参数 ........ 25
3.2 压电摩擦控制装置的制作与原理 ........ 27
3.3 压电摩擦控制装置力学模型 .... 29
3.4 压电摩擦控制装置试验性能分析 ........ 30
3.4.1 摩擦系数的测定 .............. 30
3.4.2 驱动性能与减震性能测试 .......... 31
3.5 本章小结 ............ 32
第四章电抗器结构模型有限元分析..........33
4.1 有限元基本理论 ............ 33
4.2 试验工况 ............ 35
4.3 有限元模型的建立 ........ 37
4.4 有限元结果分析 ............ 38
4.5 总结 ........ 42
第五章电抗器结构模型地震响应半主动控制分析..........43
5.1 混合免疫克隆系统与神经网络结合 .... 43
5.2 BP 神经网络 ...... 44
5.3 算法优化 BP 神经网络模型 ..... 48
5.4 控制流程 ............ 49
5.5 试验结果与分析 ............ 50
5.6 试验结构响应分析 ........ 51
5.7 仿真与试验对比分析 .... 53
5.8 本章小结 ............ 54
第五章电抗器结构模型地震响应半主动控制分析
5.1 混合免疫克隆系统与神经网络结合
为了避免遗传算法早熟收敛的情况，将传统的遗传算法进行改进，并且与免疫克隆算法在收敛速度、局部搜索能力和全局收搜能力等方面进行比较。交叉概率 Pc和变异概率 Pm是影响遗传算法收敛性的关键所在，Pc过小使得搜索时间过长，效率过低，Pc过大则极大可能破坏遗传模式；Pm过大则遗传算法变成单纯的随机搜索算法，Pm过小则不容易产生新的个体，因此要选择适当的 Pc与 Pm是改进遗传算法的关键。为了使得遗传算法保留各阶段寻优的精英，采用在不同的进化阶段采取的变异概率不同的办法，交叉概率 PC随着进化代数从 PC0到 PCmin线性减小；当在 5 代的范围内，遗传算法保持某一最优个体不变则变异概率为 Pm.
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结论
在对两种函数进行 10 次独立运算结果表明：函数 f1采用改进的遗传算法寻优成功为 0 次，而采用免疫记忆克隆算法的函数则在极值寻优过程中成功搜索到 3 次；采用 AHICA搜索到的平均最优值明显优于采用 IGA搜索到的平均最优值，更加接近实际最优值，而且在最早收敛代数的比较中，IGA 未能收敛，但是 AHICA 在第 49代就已经收敛。对于函数 f2来说，采用 AHICA寻优的成功次数远远大于采用 IGA的寻优次数，并且寻优收敛速度上比 IGA 的快了近 4 倍，平均最优值也更加的准确。由此可以看出，改进的遗传算法即使优化调整了交叉概率和变异概率，但是还是很难满足一些复杂函数的寻优问题，还是大量存在搜索陷入局部极值的情况，而AHICA 引入记忆单元和免疫自调节机制，搜索能力大大提高，可以满足一些复杂函数的求解。
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参考文献（略）
