基于负刚度装置的超长联大跨连续梁桥地震反应控制研究

为完善超长联大跨连续梁桥的减、隔震技术,将负刚度装置引入到超长联大跨隔震连续梁桥中组成新型减、隔震系统,并与黏滞阻尼器-摩擦摆支座组合减震系统进行比较。基于CSiBridge软件建立全桥有限元模型,负刚度装置采用弹性多段线模拟,摩擦摆支座采用双线性恢复力模型,黏滞阻尼器采用Maxwell模型,输入3条地震波进行非线性时程分析,考查两种新型减、隔震系统下桥梁结构的地震反应,探究负刚度系统及黏滞阻尼器系统对超长联大跨连续梁桥地震反应的控制效果。研究结果表明:负刚度装置与黏滞阻尼器均可以有效地减小超长联大跨隔震连续梁桥的支座位移。负刚度装置对桥墩内力反应及梁体加速度反应的控制优于黏滞阻尼器。负刚度装置在超长联大跨连续梁桥地震反应控制中有较好的应用前景。

面向光栅刻划机的负刚度结构隔振性能优化

大面积光栅刻划机实验室存在的复杂振动因素,会对它的运行及刻画精度造成影响,针对光栅刻划机设计一种正负刚度并联的被动隔振结构,改善仅有空气弹簧时对低频隔振无效的现象,拓宽隔振频带。为模拟隔振器隔振性能,建立系统的动力学模型和动力学方程,使用仿真软件MATLAB进行仿真,为磁致负刚度弹簧进行尺寸结构设计,对比并联磁致负刚度弹簧前后的隔振效果。仿真结果表明采用空气弹簧和磁致负刚度结构并联后能够有效的隔离低频振动,并且磁吸致负刚度和磁斥致负刚度进行组合能够有效的改善单一磁吸致负刚度或磁斥致负刚度结构的非线性。

调谐负刚度-惯容质量阻尼器参数优化与地震响应控制

提出一种调谐负刚度-惯容质量阻尼器(TNIMD),用于地震作用下的结构减震控制。通过拉格朗日方程得到结构TNIMD耦合系统运动方程,采用定点理论进行TNIMD参数优化设计,讨论最优负刚度系数的取值,开展参数分析和减震效果验证。参数分析研究表明:TNIMD对主结构位移响应的控制优于无负刚度元件下的调谐惯容质量阻尼器(VTMDI),且质量比及惯容比越小,TNIMD相对优势越大。减震分析结果表明:在远场、近场脉冲及近场无脉冲地震作用下,TNIMD对主结构位移及绝对加速度响应的控制效果均优于VTMDI,验证了TNIMD减震的优越性,为TNIMD研究提供参考。

人体手臂静止性震颤的负刚度吸振效果研究

提出采用负刚度吸振器控制人体手臂静止性震颤的方法,以便有效减小传递到前臂的动态响应.首先,建立含负刚度吸振器的人体手臂耦合动力学模型;然后,推导得到各关节位置的幅频响应表达式,并采用序列二次规划算法给出负刚度吸振器的最优设计参数.利用最优设计参数分别计算得到正弦激励和随机激励对应耦合系统的动态响应曲线.为了便于对比,给出未安装负刚度吸振器和安装传统线性吸振器时人体手臂各关节的动态响应.计算结果表明,负刚度吸振器对人体手臂静止性震颤引起各关节的动态响应抑制效果显著优于传统线性吸振器.

半周负刚度摩擦阻尼装置振动台试验研究

对具有负刚度特征的半周负刚度摩擦阻尼装置进行了振动台试验,以某四层钢结构框架为减震研究对象,分别在钢结构框架的一层和二层布置半周负刚度摩擦阻尼装置,研究了在不同地震动工况下结构的地震响应。结果表明,半周负刚度摩擦阻尼装置可实现结构的位移与加速度响应双重控制,安装在结构变形较大位置会获得更好的振动控制效果。

负刚度扭转超结构力学性能研究

通过屈曲变形实现非损伤耗散能量的负刚度超结构,为可重复使用的缓冲防护器件提供了新的设计思路,但其耗散能力较弱、难以过载保护的缺点限制了实际应用.为增强耗能性能及最大允许变形量,将负刚度铰接梁与具有压扭效应的斜杆串联组合,设计了一种负刚度扭转超结构,通过引入扭转变形缓解了过载导致的应力集中.建立了负刚度扭转单元模型,通过刚度匹配设计实现了对力学性能的调控,使负刚度扭转超结构表现出突跳行为,产生加卸载曲线不重合的迟滞现象,从而极大地提高了能量耗散能力.通过结构参数及刚度关系的优化设计,负刚度扭转超结构的最大等效压缩应变可达71%,相同层数下,能量耗散能力可以达到传统屈曲梁超结构的两倍.

利用负刚度磁流变阻尼器的单层球面网壳三维隔震研究

网壳结构三维隔震是备受关注的研究热点之一。已有的研究聚焦于被动型三维隔震装置,其在竖向的性能参数无法实时调控。为解决这一问题,将负刚度磁流变阻尼器(magnetorheological negative stiffness dampers,MRNSDs)与预压弹簧装置(prepressed spring devices,PSDs)并联,形成一种可调节阻尼力的竖向隔震装置(MRDNSD-PSD)。面向延长受控结构竖向自振周期的目标,建立了MRNSD的控制策略及其实施方法,利用其模拟了该控制装置的滞回响应。以某周边支承单层球面网壳作为研究对象,将含有MRNSD-PSD的半主动三维隔震系统、两种不同的被动三维隔震系统分别用于提升该结构的抗震性能。通过数模模拟,对上述受控和无控结构进行了地震响应分析。数值结果表明,三种隔震系统均可有效降低结构地震响应,但半主动隔震系统较被动型隔震系统能够提供更优的竖向加速度和竖向位移控制效果。

基于负刚度惯容型非线性能量汇的整星振动抑制

本文将负刚度元件集成到惯容型非线性能量汇中构成负刚度惯容型非线性能量汇,并将此装置应用到整星结构,讨论其减振效果.基于最大幅值减振百分比展示了负刚度惯容型非线性能量汇的减振性能,并通过对比讨论了负刚度元件对惯容型非线性能量汇减振性能的影响.最后讨论了负刚度惯容型非线性能量汇的参数影响及其优化.研究结果表明,作用于整星系统中的新型负刚度惯容型非线性能量汇具有很好的减振性能.

设置负刚度装置的基础隔震结构动力特性和地震响应研究

在基础隔震结构的隔震层设置负刚度装置可调节结构动力特性及抗震性能。针对隔震层设置预压弹簧导致的非线性问题,首先采用泰勒级数展开对力-位移关系进行线性拟合,并对比研究设置预压弹簧纯负刚度元件(PNS)和阻尼负刚度装置(NSD)的基础隔震结构频域响应特性。进一步,利用小波分析对实际近断层地震激励进行时频分析,并采用解析模式分解方法将地震动分解为高频和低频成分,并分别计算高频地震波和低频地震波作用下设置PNS和NSD对基础隔震结构地震响应的影响。结果表明,与未设置负刚度装置的基础隔震结构相比,设置PNS会使得高频激励下的位移和加速度响应减小,但是低频激励下的位移和加速度响应会增大;而设置NSD不仅可以大幅降低基础隔震结构的位移和加速度频响函数峰值,并且能在很宽的频段范围内减小基础隔震结构的位移响应。

偏载作用下菱形负刚度隔振系统的刚度特性

为探究偏载对菱形负刚度隔振系统刚度的影响,课题组基于力学分析方法,建立了偏载作用下隔振系统的数学模型,得到其无量纲刚度-位移非线性曲线,分析了偏载对其准零刚度特性的影响。利用Simulink进行仿真实验,给偏载作用下的隔振系统振动基座施加激励,得到了不同激励下隔振系统的时变刚度;结合傅里叶变换,探讨了隔振系统刚度的时变特性和幅频特性。结果表明:偏载越大,低刚度区间越窄,准零刚度特性越弱;时变刚度波动范围与峰值随偏载的增加而变大,但时变刚度的波动趋势不受偏载的影响;时变刚度幅值主要集中在低频区间,随频率的增加而减小,最终趋近于0。研究表明偏载对隔振系统的刚度会产生一定的影响。

基于负刚度碟簧装置的竖向隔震支座力学性能研究

在竖向隔震中,为同时满足高静态刚度和低动态刚度的需求,提出一种基于预压碟簧的负刚度装置(disc spring negative stiffness device,DSNSD),利用其与已有的预压弹簧装置(prepressed spring device,PSD)集成为拥有高静低动刚度的竖向隔震支座(PSD-DSNSD隔震支座)。首先对DSNSD的构造与工作原理进行详述,建立相应的力学模型,再通过Python进行数值模拟,考察上述碟簧装置的力学性能,最后利用Abaqus建立PSD-DSNSD竖向隔震支座的有限元模型进行模拟。结果表明:加入DSNSD后竖向隔震支座的隔震刚度显著降低,验证了将DSNSD用于竖向隔震增效的可行性。说明DSNSD在启动后可提供负刚度,从而有效减小整体装置的竖向刚度。

基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制研究

随着城市建设水平的提高和旅游业的发展,对大跨人行景观桥建设需求不断增加。应力带桥因具有简洁的结构形式和优美的建筑外观,被逐渐应用于人行景观桥中,但其固有频率低、模态间隔紧密,在风、行人等动荷载作用下易发生振动。因此,为控制应力带桥振动,提出了基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制策略。首先,基于欧拉-伯努利梁理论建立了系统广义运动方程,并提出了基于复模态的系统动力特性计算方法。其次,系统地研究了应力带桥负刚度控制系统关键参数对系统动力行为的影响规律,并确定了关键参数设计准则。最后,基于案例分析对比验证了所提控制策略对应力带桥人致振动控制的有效性。提出的应力带桥减振控制方法与相应参数确定准则可为实际工程中应力带桥的建设提供参考。

惯容-负刚度-阻尼伸臂体系减震性能增效研究

为提升传统阻尼伸臂(CDO)体系的减震效果,基于惯容⁃刚度⁃阻尼三元被动减振理论,开展了惯容⁃负刚度⁃阻尼伸臂(INSDO)体系减震性能增效研究。采用Clough⁃Penzien谱模型模拟平稳随机激励,利用增广状态空间建立结构⁃阻尼器⁃激励系统的运动方程;通过求解Lyapunov方程获得随机地震作用下结构响应的均方根值(RMS),基于结构最大有害层间位移角与加速度的多目标控制确定了INSDO体系的最优参数;分析评估了典型实际地震作用下INSDO体系的减震性能。结果表明:在El⁃Centro和Kobe地震波作用下,相比CDO体系,INSDO最优化体系降低了底层位移角RMS均值的57.97%,以及顶层绝对加速度RMS均值的36.99%,验证了多目标优化方法的有效性;相比单独引入惯容或负刚度单元,同时引入两种单元可进一步放大阻尼单元的位移,提升阻尼器耗能与地震输入能量的比值,实现INSDO体系减震性能增效。

具有可变非线性正或负刚度机构的研究

为了实现大带宽的隔振和吸振,需要可变非线性刚度机构。负刚度和正刚度的隔振或吸振装置分别在低频和高频制振效果较好。因此,提出了一种具有可变非线性正或负刚度的机构。其通过两电磁铁实现刚度,通过改变两电磁铁的电流方向可改变刚度的正负,通过改变两电磁铁的电流值或间距可改变刚度大小。提出了其结构;分析了其原理;计算了间距、电流、位移和力之间的关系;仿真探究了不同间距和电流时位移和力的函数图像;根据仿真结果,间距和电流不变时,力是位移的五次多项式。

推进轴系纵向振动负刚度动力吸振器试验研究

[目的]针对推进轴系一阶纵向振动控制难题,采用碟簧负刚度动力吸振器进行振动控制并进行试验验证。[方法]建立推进轴系纵向振动负刚度动力吸振器试验台架,根据所需控制的轴系一阶纵振模态,设计并研制负刚度动力吸振推力轴承,然后开展不同转速、不同静推力、不同负刚度下的振动传递试验,从而获得推力轴承基座和轴系上的振动加速度响应数据。[结果]结果显示,所研制的负刚度动力吸振推力轴承能以1.6%的吸振器质量使轴承座上一阶纵振轴系的振动响应下降7.8 dB;在轴系固有频率变化5%、静推力变化40%的情况下,负刚度动力吸振器仍能保证3.3 dB的控制效果;在非最优负刚度下,不会恶化轴系和轴承座的振动响应。[结论]研究表明负刚度动力吸振可有效抑制不同转速下轴系一阶纵振处的振动传递。

兰州环球港负刚度阻尼伸臂结构设计

兰州环球港项目地处8度设防烈度区,超高层塔楼建筑顶部高度317m,结构高度248m。考虑刚性伸臂引起的结构竖向刚度突变及普通阻尼伸臂耗能较小,在超高层塔楼中创新性地采用了带负刚度阻尼伸臂的钢框架-混凝土核心筒结构体系。负刚度阻尼伸臂是在普通阻尼伸臂基础上增设负刚度装置而成,由于负刚度装置对运动的促进作用,阻尼器行程得到放大,其耗能效果也得到提高。分析结果表明,采用负刚度阻尼伸臂后,结构的附加阻尼比得到显著提升,并以很少的阻尼器用量获得更好的降低位移和加速度的性能。

调谐负刚度阻尼器的H2优化及减震性能评估

为进一步阐明调谐负刚度阻尼器(tuned negative stiffness damper,TNSD)对结构减震控制的优势,本文开展了TNSD对单自由度结构减震控制的H2优化设计,并研究了TNSD的减震增效作用与减震机理。首先,基于单自由度结构-TNSD耦合系统的H2性能指标,推导了TNSD最优负刚度系数和最优阻尼系数的设计公式;然后,研究了TNSD的刚度特性和阻尼特性、TNSD对结构的阻尼增效作用、TNSD-结构耦合系统的耗能特点,阐明了TNSD的减震增效机理;最后,开展了TNSD对结构减震控制的地震响应分析。结果表明:TNSD可进一步提升负刚度阻尼器对结构的减震效果,其调谐弹簧可以放大TNSD内部阻尼元件的位移和TNSD等效阻尼系数,提升了TNSD的耗能效率和结构的等效阻尼比。

一种负刚度可调的高静低动刚度隔振系统特性分析及实验研究

针对现有高静低动刚度隔振器的设计参数均已固定,磁负刚度机构无法在线调整的问题,本文设计一种新型负刚度可调的电磁隔振器。利用永磁体与螺旋线圈设计电磁负刚度元件,并对其进行有限元仿真分析。通过静力分析,推导负刚度可调高静低动刚度隔振器力-位移-电流和刚度-位移-电流的数学表达式,得到系统在平衡位置获得准零刚度特性的条件。建立高静低动刚度隔振系统动态模型,利用平均法研究不同参数对系统幅频特性及力传递率的影响。研制原理样机,搭建试验台架并进行隔振性能测试试验,试验结果表明本文研究的高静低动刚度隔振器具有更宽的有效隔振频域和更低的传递率峰值。

位移激励下含负刚度的惯容减振系统参数优化解析研究

为抑制位移激励下主结构的振动,提出了三种含有负刚度的惯容减振系统(N‑ISD),推导了各系统分别在H∞和H_(2)优化准则下设计参数的解析解,探究了不同形式N‑ISD系统振动控制的特点。建立位移激励下减振系统的动力学方程,得到结构的传递函数。针对简谐位移激励下的振动幅值,采用固定点理论推导了以H∞范数为优化准则的设计参数解析解;针对随机激励下位移均方值,采用极值理论推导了以H2范数为优化准则的设计参数解析解。通过与基于遗传算法的数值优化解对比,验证了上述最优设计参数解析解的有效性及优越性。对最优状态下的减振系统进行减振效果分析,结果表明:负刚度的引入能有效降低主结构的振幅放大因子和均方值,简谐激励下N‑SPIS‑Ⅱ型惯容系统反共振峰值更低,共振峰值间距更大,减振效果及稳定性更好;随机激励下N‑SPIS‑Ⅰ和N‑SPIS‑Ⅱ型惯容系统位移均方值均小于N‑SIS型惯容系统,表现出更好的减振性能。

新型负刚度超材料吸能结构的设计与优化

为了提高负刚度超材料的吸能特性,提出了一种加固圆柱形负刚度超材料结构;它由圆柱面斜梁单元和内部周期性平面斜梁单元组成,其吸能性能主要通过斜梁单元的负刚度特性实现。通过理论解析和有限元分析对结构的力学性能进行研究,结果表明斜梁单元高厚比值越大结构的负刚度和双稳态性能越明显且两种斜梁单元的高厚比取值越接近结构稳定性越好;同时通过与空心圆柱形负刚度超材料结构的对比,证实了加固结构提高了空间利用率以及增强了吸能效果。最后以航天器非火工分离装置为应用背景,基于Kriging代理模型对所提出的新型负刚度超材料吸能结构进行了优化设计,总吸能水平和单位吸能水平均相对增长了20.47%。