调谐惯质阻尼器动力试验和参数识别

研发了一种新型调谐惯质阻尼器(TVMD)装置,该装置分别采用电涡流与金属弹簧作为TVMD的阻尼元件与弹簧元件.首先,对该TVMD装置进行动力试验,研究其动力特性.然后,提出4种基于试验数据识别TVMD参数的方法,即峰值点拟合法、滞回曲线拟合法、时程拟合法和传递函数拟合法.动力试验结果表明:TVMD具有惯性质量放大效应和阻尼增益效应;弹簧元件和惯容元件均表现出理想的线性特性,而阻尼元件由于电涡流阻尼固有属性和TVMD装置中存在的摩擦,表现出非线性特性.参数识别结果表明:4种方法均能合理确定TVMD参数,其中,传递函数拟合法能提供用于调谐设计的等效阻尼系数,而其他3种方法能识别非线性阻尼模型的参数;滞回曲线拟合法和时程拟合法具有更高的参数识别精度,而峰值点拟合法和传递函数拟合法具有更高的计算效率.

楠溪江大桥斜拉索惯质阻尼与黏滞阻尼减振性能对比

针对楠溪江大桥斜拉索的振动控制问题,提出斜拉索黏滞阻尼器和斜拉索惯质阻尼器减振两种技术方案。运用有限差分法,以楠溪江大桥编号为SG-15斜拉索为减振目标,分别建立斜拉索惯质阻尼和黏滞阻尼有限差分数值模型,通过多模态减振参数优化和复模态特征值分析,以阻尼比表征斜拉索多阶模态的控制性能并进行对比。结果表明,以楠溪江大桥斜拉索前五阶模态为控制目标时,斜拉索惯质阻尼比黏滞阻尼的减振性能提升8.7%,而当控制目标为前十五阶时,惯质系数及其作用变小,使得两者总体减振性能基本一致,但惯质阻尼对个别模态的减振性能仍会更好。

基于磁粉离合的变惯质阻尼器理论及试验研究

针对超长斜拉索振动主模态区间多变的特点,磁粉离合惯质阻尼器作为半主动变惯质阻尼器对比被动惯质阻尼器更具优势.根据已有研究发现,仅向磁粉离合惯质阻尼器输入直流电并不能实现阻尼器惯质系数恒值可调的功能,本文通过输入简谐电流的方法实现该功能.首先,介绍了磁粉离合惯质阻尼器基本原理及其力学特性,从磁粉离合器双轴相对运动状态来分析磁粉离合器在不同电流工况下的力学性质,进而研究实现阻尼器变惯质功能的输入电流控制算法.然后,综合阻尼器基本构造建立了其力学模型,从而得出阻尼器在稳态激励条件下的等效惯质系数表达式,阐明了阻尼器在输入控制电流下的等效惯质系数与控制电流幅值呈二次线性关系.最后,通过实验对阻尼器惯质系数的可调性进行了验证.

滞回摩擦型调谐惯质阻尼器结构隔震研究

本文研究一种新型非线性阻尼器——滞回摩擦型调谐惯质阻尼器(HFTID)在工程结构抗震控制中的应用。HFTID由调谐惯质阻尼器(TID)和滞回弹簧摩擦元件并联组成。首先通过谐波平衡方法推导了HFTID单自由度系统力与位移的传递率。然后对HFTID进行了最佳调谐参数优化,得到HFTID最优参数的近似表达式,比较了HFTID和TID振动控制系统的减振效果。结果表明,HFTID相比TID可以进一步降低振动控制系统的传递率。最后,以一栋多层隔震结构为例,将HFTID与TID的隔震效果进行了对比,结果表明,HFTID相比TID在降低地震响应峰值和均方根值方面具有更大优势,验证了HFTID在降低地震响应方面的有效性和实用性。HFTID在建筑和桥梁结构抗震、车辆悬挂系统和其他机械隔震问题上具有潜在的应用前景。

调谐负刚度-惯质阻尼器对隔震结构减震性能的提升

为控制基础隔震结构的隔震层位移并进一步提升其减震性能,融合负刚度与调谐黏滞质量阻尼器的减震优势,开展了调谐负刚度惯质阻尼器(TNSIMD)对隔震结构的减震性能提升与优化设计研究.基于隔震结构简化分析模型,推导了隔震结构-TNSIMD耦合系统的阻尼增效方程和能量平衡方程,研究了TNSIMD参数对隔震层位移、隔震结构等效阻尼比与TNSIMD耗能比的影响.在此基础上,提出了考虑TNSIMD控制性能和设计成本的协同优化方法,并以五层框架结构为数值案例,评估了TNSIMD对隔震结构在近场脉冲型地震作用下的控制效果.研究结果表明,TNSIMD可以发挥其自身的调谐作用和负刚度优势,实现其耗能提升以及对隔震结构的减震增效;与黏滞阻尼器、调谐黏滞质量阻尼器和负刚度惯质阻尼器相比,TNSIMD对近场脉冲型地震作用下隔震结构的位移和绝对加速度控制效果更优,并能耗散更多的地震能量.

非线性电涡流惯质阻尼器力学性能仿真与试验

为提高板式电涡流阻尼器(ECD)的耗能减振效率,融合旋转式电涡流阻尼技术与滚珠丝杠式两节点惯质单元,发展与研制了一种非线性电涡流惯质阻尼器(NEMD).首先阐明了NEMD的整体构造与工作原理,然后综合半理论半仿真分析、三维电磁场有限元仿真分析与样机力学性能测试,获得了NEMD的轴向出力特性,提出了旋转式电涡流阻尼计算分析方法,最后总结建立了NEMD的两阶段设计方法.结果表明:NEMD实现了阻尼器惯性质量与电涡流阻尼的双重增效,显著提升了ECD的耗能减振效率;随着NEMD轴向速度的增加,电涡流阻尼力表现出先上升后下降的非线性特征;综合半理论半仿真与三维电磁场有限元仿真的电涡流阻尼力预测方法可以满足NEMD设计要求.

电磁惯质阻尼器在结构中位置优化以及减震分析

近年来,电磁惯质阻尼器(ElectromagneticInerterDamper,EMID)的力学模型在土木工程减振研究领域已取得一定的研究成果,成为了一种十分有效的惯性质量减震装置。为了更好地发挥EMID减震效果,在以层间位移角为控制目标函数和相同阻尼器参数下,采用均匀布置与权系数布置、迭代法以及基于遗传算法的阻尼器位置优化布置四种布置方案对EMID在多自由度结构中安装位置进行优化布置,随后引入四个抗震性能评价指标对十自由度结构在四种位置布置方案下的减震效果进行分析比较。最后选出一种最优的阻尼器位置布置方案,进行十自由度结构控制参数变量仿真分析,分析了EMID在相同惯质不同电磁阻尼力和相同电磁阻尼力不同惯质的条件下的减震效果,为EMID的后续研究和其工程实际应用提供一定的理论基础。

电涡流惯质阻尼器对斜拉索振动控制研究

为提升传统被动黏滞阻尼器(VD)对斜拉索的减振效果,提出一种融合旋转式电涡流阻尼技术与滚珠丝杠两节点惯质单元的电涡流惯质阻尼器(ECIMD)斜拉索减振新方法。首先研制阻尼系数和惯性质量均可调的ECIMD样机,基于力学性能测试结果辨识ECIMD力学模型参数;然后开展ECIMD对模型拉索减振试验,获得ECIMD阻尼系数和惯性质量对拉索前3阶附加模态阻尼比的影响规律;接着采用有限差分法建立考虑拉索垂度、抗弯刚度及边界条件影响的斜拉索-ECIMD系统分析模型,对比分析斜拉索附加模态阻尼比的数值预测与相应试验结果;最后开展ECIMD对斜拉索多模态减振参数优化研究。研究结果表明:ECIMD的等效电涡流阻尼系数随激振频率的增大表现出逐渐降低的趋势,该特征对斜拉索多模态振动控制尤为有利;考虑斜拉索垂度、抗弯刚度影响的两端固接斜拉索-ECIMD系统模型可用于保守预测斜拉索附加模态阻尼比;与VD相比,ECIMD对斜拉索单模态和多模态均具有更好的减振效果。

拉索-惯质阻尼器体系减振分析

提出了一种利用齿轮齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索用新型惯质阻尼器,给出了阻尼器的理论设计方法,并给出了其耗能机理。建立了拉索-惯质阻尼器体系的平面内运动方程,使用复模态分析法对拉索-惯质阻尼器体系进行了单阶减振性能分析及多阶广谱减振性能分析。结果表明:惯质阻尼器对拉索的单阶振动有很好的减振效果,其一阶振动的模态阻尼可达6.14,二阶振动的模态阻尼为5.17,三阶振动的模态阻尼为3.66,其单阶减振能力比普通黏滞阻尼器提高了一个数量级;在广谱减振方面,如考虑前四阶振动模态,在质量比μ为0.1、0.2时,惯质阻尼器的减振效果相比普通黏滞阻尼器有大幅提高,当阻尼器安装位置为3%索长时前四阶广谱减振效果增幅达14.6%;但惯质阻尼器对高阶振动存在“嵌固效应”,在质量比μ为0.5、0.8时,惯质阻尼器对高阶的模态阻尼产生了抑制效果,在此种情况下无法进行前八阶的广谱减振设计;对惯质、黏滞阻尼系数及安装位置进行多参数调谐后,为某实际工程中的拉索设计了相应的惯质阻尼器,其广谱特性优于现有黏滞阻尼器,验证了实桥应用的可行性。

垂度拉索-惯质阻尼器体系的减振分析

提出一种利用齿轮齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索用新型惯质阻尼器,给出了阻尼器各元件参数的理论设计方法,并指出了其耗能原理。利用理论推导结合数值计算的方法给出其单体耗能性能,建立了拉索-惯质阻尼器体系的平面内运动方程,使用复模态分析法,给出了考虑垂度拉索-惯质阻尼器体系的模态阻尼比计算公式。针对某实际拉索,使用无量纲化分析方法,给出了实索惯质阻尼器的设计参数及相应的拉索模态阻尼比。研究了同一惯质阻尼器参数对不同拉索振动模态的减振效果。结果表明,当有垂度拉索在惯质或阻尼增大时会趋近于本阶次的嵌固频率。针对某实际超长拉索,当目标减振模态阶数不太多时,经过惯质、黏滞阻尼及安装位置等多参数调谐之后,可获得优于现有黏滞阻尼器的广谱减振效果。

基于惯容系统位置的调谐质量阻尼器的振动控制研究

为研究惯容系统位置对调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)减振性能的影响,首先基于动力学原理,采用定点理论对惯质调谐质量阻尼器(TMD-inerter,TMDI)进行参数优化,得到最优频率比和最优阻尼比解析解;其次讨论了频率比及阻尼比对结构振动特性的影响;最后对TMDI鲁棒性进行研究。结果表明:惯容系统连接位置对阻尼器吸振能力影响显著,与传统TMD和非接地TMDI相比,接地TMDI使主结构动力放大系数分别减小约8.4%、16.5%;接地TMDI调频宽度相比传统TMD提高约6%;在阻尼摄动范围内,接地TMDI减振系统动力放大系数增幅约1.5倍;接地TMDI具有更良好的鲁棒性,可为设计新型TMDI模型提供理论参考。

齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器的拉索减振机理研究

针对一种新型的齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器,利用归一化的复模态方法,讨论了该新型阻尼器的自身性能参数和耗能性能;建立了考虑垂度的拉索-惯质粘滞阻尼器振动体系,用归一化的方法研究了惯质系数和阻尼系数对拉索模态阻尼比的影响。模型试验与数值计算的分析表明:由负刚度产生的位移放大效应使惯质粘滞阻尼器具有良好的拉索减振效果;在考虑单阶振动时,为达到较高的单阶模态阻尼比,不同阶次所需惯质系数与阻尼系数有所不同;在惯质系数为优化值时,惯质粘滞阻尼器能够同时使得相邻的两阶振动的模态阻尼比达到最大。

一种惯质黏滞阻尼器的性能及其对拉索减振效果的试验研究

该研究制作了一台利用齿轮、齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索阻尼器样机,并开展了详细的拉索减振试验研究。建立了考虑拉索垂度、内阻尼特性、阻尼器齿轮惯质、转动轴惯质与轴承的阻尼特性等因素影响的拉索-阻尼器振动体系,并利用改进的Galerkin方法进行数值分析。详细讨论了该新型阻尼器的自身性能参数、耗能性能及其针对拉索的减振性能。试验结果与数值计算对比分析表明:惯质黏滞阻尼器具有明显的负刚度,由此产生的位移放大效应对拉索减振效果有显著的正面影响。改进的Galerkin方法能够用于惯质黏滞阻尼器-拉索减振系统的分析中,且该算法不依赖于计算初值的选择;数据计算结果与试验结果吻合较好,验证了该研究计算方法的准确性;该惯质黏滞阻尼器对拉索振动具有良好的减振效果。

调谐惯容阻尼器对斜拉索振动控制的研究

为提升黏滞阻尼器对斜拉索的减振效果,基于“阻尼-惯容-弹簧”的三元被动减振理论,开展了调谐惯容阻尼器对张紧弦斜拉索振动控制的研究。首先,采用有限差分法建立了斜拉索-调谐惯容阻尼器耦合系统的状态空间方程;然后通过复模态分析研究了调谐惯容阻尼器的频率比、阻尼比及惯容比对斜拉索附加模态阻尼比的影响规律,进而获得了调谐惯容阻尼器的最优参数及斜拉索的最大附加模态阻尼比。其次,开展了调谐惯容阻尼器对斜拉索减振控制的数值仿真分析,验证了复模态分析结果的适用性,通过对比调谐惯容阻尼器、黏滞惯质阻尼器和黏滞阻尼器对斜拉索的减振效果,阐明了调谐惯容阻尼器对斜拉索减振控制的优越性。最后,基于耗能效率揭示了调谐惯容阻尼器对斜拉索的减振增效机理。结果表明:与黏滞阻尼器和黏滞惯质阻尼器相比,调谐惯容阻尼器可以显著提升斜拉索的减振效果。

带碰撞的惯质调谐质量阻尼器对斜拉索涡激振动控制研究

在以往惯质调谐质量阻尼器(tuned mass damper-inerter, TMDI)的研究基础上,引入非线性碰撞机制,提出一种带碰撞的新型惯质调谐质量阻尼器(pounding tuned mass damper-inerter, PTMDI)来对斜拉索的涡激振动进行控制。该阻尼器不仅能减小装置尺寸,又能利用振子在碰撞过程中产生的加速度突变来提高惯质器的质量放大效应,在一定程度上解决传统惯质型阻尼器一端尽量固接的安装方式,布置上更为灵活。建立了设有该装置的斜拉索涡激减振控制方程,分析了拉索涡激振动特性,并对其减振性能进行了研究。对阻尼器惯容参数和碰撞参数的影响及优化问题进行了探讨,给出了最优参数的取值方法。算例表明,所提PTMDI能显著降低斜拉索的涡激振动响应,且在所提优化方法得到的最优参数下具有更为优越的控制能力。对于常遇风时拉索出现的多模态涡激振动控制分析表明,碰撞机制能使PTMDI的鲁棒性得到提升,对多模态涡激振动也有相当程度的控制效果。

近场脉冲型地震作用下TMDI隔震结构的随机动力响应及参数优化

近场脉冲型地震作用下基础隔震结构(Base Isolation Structure,BIS)的隔震层位移过大会导致隔震层破坏,安装调谐质量惯质阻尼器(Tuned Mass Damper Inerter,TMDI)形成的BIS-TMDI系统能有效减小隔震层位移.然而,从随机振动的角度考察近断层脉冲型地震作用下BIS-TMDI系统的随机动力响应及其参数优化少有研究.为此,采用确定性窄带谐波和宽带随机激励之和模拟近场脉冲型地震动,并提出使用统计线性化方法计算近场脉冲型地震激励下受控结构的随机动力响应.该方法的核心在于将非线性动力方程等效地分解为两组耦合的分别以确定性响应和宽带随机响应为未知量的非线性微分方程.利用统计线性化方法处理得到随机微分方程,并联立确定性微分方程得到总响应.研究表明:结构确定性和随机响应分量是耦合的,脉冲激励会引起随机响应标准差的大幅抖动;TMDI能有效地减小隔震层位移;需要同时考虑确定性和随机响应分量才能更好地在概率意义上优化TMDI控制参数.