受阻酚AO-60/天然橡胶复合材料的结构与阻尼性能研究

研究受阻酚AO-60用量对受阻酚AO-60/天然橡胶(NR)复合材料的结构与阻尼性能的影响。结果表明:受阻酚AO-60用量小于50份时,受阻酚AO-60在复合材料中主要形成小型聚集体;随着受阻酚AO-60用量的增大,受阻酚AO-60在复合材料中形成越来越多的大型聚集体;在差示扫描量热分析中,受阻酚AO-60在48和107℃时分别发生无定形态以及晶态转变;在室温下,受阻酚AO-60用量不小于50份的复合材料的损耗因子(tanδ)达到0.2以上,而不加受阻酚AO-60的NR胶料的tanδ仅为0.05;随着受阻酚AO-60用量的增大,复合材料的F_(max)-FL减小,t_(10)和t_(90)明显延长,拉伸强度和撕裂强度减小,受阻酚AO-60用量为50份的复合材料的回弹值最小。综合来看,受阻酚AO-60用量为50份的受阻酚AO-60/NR复合材料的性能最佳。

附加阻尼比与多高层混凝土结构地震响应研究

附加阻尼比是指结构消能减震设计中,阻尼器(消能装置)附加给原结构的有效阻尼比。其作用是吸收或消耗地震波传递到结构上的能量,减小结构的地震反应。从结构力学知识和结构抗震设计规范的规定可知,当结构附加阻尼比时,建筑结构本身承担的地震作用小于不附加阻尼比的结构,且附加阻尼比越大,建筑结构承担的地震作用减少越明显。本文旨在研究不同阻尼比对地震作用的影响,总结其变化规律。

双目标优化与生成对抗网络结合的框架结构阻尼器布置方案智能设计方法

为实现框架结构的阻尼器智能化布置,结合减震设计原理和智能算法,采用双目标优化算法和生成对抗网络算法分别进行阻尼器竖向和水平智能布置研究,并将该方法应用到两个框架结构减震设计工程案例中。在框架结构减震设计中,采用双目标优化算法进行阻尼器竖向布置,并与逐层逼近法、工程师设计和非减震设计进行对比,结果表明,采用该优化算法得到的阻尼器竖向布置方案能有效降低层间位移角和楼层加速度,提高结构的抗震性能。在确定各楼层的阻尼器数量后,利用训练好的生成对抗网络生成模型,可快速、自动地选择和确定各楼层阻尼器的平面安装位置,生成的平面布置与工程师设计的平面布置在相似性差异度综合评价指标上小于临界值0.1,说明两者相似度较高,且有利于提高原结构的抗扭能力。将双目标优化算法与生成对抗网络相结合,不仅能满足框架结构的减震性能目标,而且可实现阻尼器布置方案的智能设计,提升减震工程设计效率。

双重电磁谐振式调谐质量阻尼器的参数优化及对结构减振分析

利用电磁阻尼单元代替经典调谐质量阻尼器中的黏性阻尼单元,形成一种具有结构减振功能的新型电磁谐振式调谐质量阻尼器(electromagnetic shunt tuned mass damper,EMS-TMD)。为进一步提升阻尼器的减振性能和鲁棒性,设计了双重电磁谐振式调谐质量阻尼器(DEMS-TMD)减振方案。依据达朗伯定理,建立地震作用下DEMS-TMD与单自由度结构耦合振动系统的动力学模型。利用蒙特卡洛-模式搜索法数值优化方法,以主结构位移的动力放大系数最大值最小为目标函数,优化得到DEMS-TMD的结构频率比、电子频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的最优参数,为减振参数设计提供理论指导。通过频域和时域两种方法仿真分析了DEMSTMD对结构的减振性能。结果表明:在频域分析中,DEMS-TMD的主结构位移峰值和频响面积均优于传统并联双调谐质量阻尼器(double tuned mass damper,DTMD);在时域分析中,DEMS-TMD对结构位移、加速度峰值和均方根的减振性能均优于传统DTMD,有效地提高了对结构的减振效果。

CFRP层合周期结构的阻尼性能

碳纤维复合材料(CFRP)层合周期结构由于具有优异的阻尼性能,适用于多种减振装置,但是,其刚度、阻尼等振动特性会受到铺层方式的周期变化、纤维的非连续性等因素的影响。针对CFRP层合周期结构的特点,设计了一种沿长度方向单周期包含两个元胞的CFRP层合周期结构板,制备了相应试验件并进行了自由模态试验,研究该结构阻尼性能变化规律。实验结果表明,随着周期个数与元胞单元厚度占比的增加,一阶和二阶阻尼损耗因子逐渐变大,一阶和二阶弯曲固有频率逐渐下降;保持CFRP层合周期结构中一个元胞的铺层角度不变,随着另一个元胞铺层角度的增加,一阶、二阶阻尼损耗因子都呈现先增大后减小的趋势,一阶和二阶弯曲固有频率在铺层角度为15°时达到最大值,之后随着铺层角度的增加呈现出轻微上下波动的变化,并未出现较大波动。当CFRP层合周期结构板元胞单元厚度占比为50%、周期个数为4时,相比于传统的CFRP层合板,前两阶弯曲模态下的阻尼损耗因子分别提高19.59%和15.63%,通过三点弯曲试验测试结果得知,该结构弯曲刚度相比传统CFRP层合板降低18.21%。

大跨度单层柔性光伏支架结构气动阻尼的试验研究

大跨光伏支架结构轻柔,在风荷载作用下易产生显著气动效应。为研究该类结构的气动阻尼特征,对不同风速和张力工况下两种典型倾角(0°和10°)的大跨度柔性光伏支架结构开展气弹风洞试验。基于气弹模型风洞试验结果,分别利用经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)和变分模态分解(variational modal decomposition,VMD)结合改进的随机减量方法(random decrement technique,RDT)识别得到了柔性光伏支架结构在不同风速风向、组件倾角和拉索预张力下的气动阻尼比。研究结果表明,气动阻尼对风向角的变化较为敏感。当组件倾斜铺设时(10°倾角),大跨光伏结构气动阻尼在180°迎风向时会出现负值。张力增加可能导致高风速下平铺组件的气动阻尼比显著降低。气动阻尼比随风速的增加整体呈减小趋势,低风速下基本为正值,而高风速下可能出现负气动阻尼。不同方法识别出的气动阻尼比结果存在一定的差异,但反映出的气动阻尼的变化特征具有一致性。

附设黏滞阻尼器的RC框架结构抗震韧性评估

为研究黏滞阻尼器对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构抗震韧性影响,基于增量动力时程分析方法,对附设黏滞阻尼器的RC框架结构开展抗震韧性能力评估。结合FEMA P-58以及我国抗震韧性评价标准,将主要受损构件的修复费用、修复时间曲线以及易损性信息按实际情况进行相应修正,并对无控结构和有控结构的修复费用、修复时间和人员伤亡等主要抗震韧性指标进行对比分析,明确了黏滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性的影响。研究表明,在RC框架结构中适当设置黏滞阻尼器不仅能够减小结构地震响应、降低结构破坏概率,还能有效提升结构抗震韧性。

基础隔震结构附加变化型调谐质量惯容阻尼器的优化设计研究

在强震作用下基础隔震结构的隔震层将发生非常大的水平变形。已有研究表明采用在基础隔震结构的隔震层附加变化型调谐质量阻尼器(VTMD)的混合控制策略能够有效降低隔震层的水平变形需求,然而该混合控制策略最大的缺陷在于需要很大的调谐质量。考虑到惯容装置具有明显的质量放大效应,本文提出将惯容装置(Inerter)与VTMD中的阻尼器并联,从而形成具有较小调谐质量的变化型调谐质量惯容阻尼器(VTMDI),并将其附加在基础隔震结构的隔震层,基于随机振动的分析框架开展了VTMDI参数的优化设计研究。研究表明直接将基础隔震结构的上部结构层间变形作为优化目标的传统优化策略并不经济有效。为此,本文提出了一种基于两步优化法的优化策略,该优化策略首先确保附加VTMDI的基础隔震结构相对于附加相同阻尼的基础隔震结构具有更优的控制效果;然后确保附加VTMDI的基础隔震结构的上部结构层间变形最小。通过动力时程分析结果表明:两种优化策略都能有效降低隔震层的水平变形和上部结构的层间变形,同时不会导致调谐质量出现过大的运动行程,基于两步优化法的优化策略更为经济有效。

双阻尼模型调谐质量阻尼器在随机激励下的减震性能研究

该文提出黏滞阻尼与滞变阻尼共同作用的双阻尼模型调谐质量阻尼器(Dual Damping Tuned Mass Damper,DD-TMD),并对白噪声作用下DD-TMD进行减震优化研究。讨论了DD-TMD的构成、优势和应用范围,并总结了DD-TMD的力学机理。提出适用于DD-TMD的H_(2)优化方法,并通过数值寻优得到了最优参数和基于稳定区域的DD-TMD参数优化方法。此外,通过DD-TMD的H_(2)优化方法进一步得到了DD-TMD的等效附加黏滞阻尼比,为工程设计奠定应用基础。以变摩擦摆式调谐质量阻尼器(Variable Friction Pendulum Tuned Mass Damper,VFP-TMD)为DD-TMD的实际应用算例,通过20条地震波检验所提出的优化方法对地震激励的减震性能影响。结果表明:H_(2)优化下的DD-TMD可以提供与常规黏滞阻尼TMD相当的控制效果。采用DD-TMD可以通过随机理论成功模拟与常摩擦阻尼等效的黏滞阻尼,并为带有初始摩擦的VFP-TMD提供有效可靠的优化设计方法。相较于前人所做的数值寻优方法,按照DD-TMD模型优化的VFP-TMD可以提供更加优异的减震控制效果且阻尼耗能能力提高了16.6%。

飞轮壳体黏弹性阻尼环的仿真分析与试验研究

随着航天器平台性能指标要求的提高,飞轮微振动对航天器平台的影响越加突出,需要对其进行振动抑制。根据飞轮上壳体的模态特性,提出一种圆环形黏弹性阻尼环结构的设计方法,并针对黏弹性阻尼环的敷设位置、厚度、宽度对其减振效果影响规律进行数值仿真与试验验证,验证圆环形黏弹性阻尼环的有效性。结果表明:圆环形黏弹性阻尼环结构对宽频振动具有良好的减振效果,黏弹性阻尼环的敷设位置对飞轮系统的各阶固有频率变化和减振效果起决定性作用,在飞轮外径的60%处敷设圆环形黏弹性阻尼环减振效果较好,宽度设计为飞轮外径的6%以内、厚度设计为壳体厚度的4倍以内时,随着宽度、厚度的增加,减振效果提高。

滞后阻尼结构的自由界面试验模态综合与应用

针对试验模态综合，提出子结构剩余柔度函数的动态测试技术，通过实测频响函数分解出阻尼结构的各阶复剩余模态。在此基础上，发展了滞后阻尼结构的模态综合理论。最后，通过一典型梁的试验验证了该方法的合理性。

基于时程分析方法的黏滞阻尼减震结构附加阻尼比计算研究

附设黏滞阻尼器后结构的附加阻尼比是进行减震结构设计的关键。基于目前计算附加阻尼比时应用得十分广泛的时程分析方法进行研究,首先从基本理论出发,分析基于特征向量法的快速非线性分析(FNA)方法、Ritz向量法的FNA方法、直接积分方法以及与3种计算方法对应的能量比法在附加阻尼比计算时所面临的主要问题及重要参数设置;然后通过一单自由度体系的振动台试验测试结果与各种计算方法的数值模拟结果进行对比分析,得到较为适合的附加阻尼比计算方法;最后将研究成果应用于实际工程结构,进一步验证所推荐方法和参数设置的正确合理性。研究旨在为今后广大一线减震设计工程师计算较为真实的附加阻尼比提供重要参考。

连续阻尼夹嵌结构复合材料的弯曲疲劳特性研究

为了研究连续阻尼夹嵌结构复合材料(CDSSC)的弯曲疲劳特性,采用120℃共固化工艺制备了CDSSC试件并进行了静载三点弯曲试验和三点弯曲疲劳试验。在静载三点弯曲试验中,运用ANSYS数值模拟与试验结果共同求解出CDSSC外载荷与弯曲应力的线性公式;在三点弯曲疲劳试验中,采用线性公式求解出不同等级的应力水平并对CDSSC施加等效的疲劳循环载荷,试验结束后通过拟合得到CDSSC的疲劳-寿命(S-N)曲线。采用相同疲劳循环载荷研究了阻尼层厚度对CDSSC疲劳寿命的影响。结果表明:CDSSC疲劳失效的主要形式是层间滑移,且不会发生脆性断裂;疲劳寿命主要受材料中阻尼层的影响,当阻尼层厚度达到0.3mm时,疲劳寿命明显缩短,此后疲劳寿命趋于平稳;当阻尼层厚度为0.1mm时,CDSSC的疲劳性能最佳。

粘滞阻尼器研究进展

本研究整理并总结了国内外学者在粘滞阻尼器方面取得的大量研究成果,包括粘滞阻尼器在减震(振)领域的发展历程与研究现状,通过阻尼力公式分析的性能影响因素、粘滞阻尼器的试验研究以及工程应用实例等几方面,提出了一种新型自复位弹簧粘滞阻尼器,用于木结构的振动控制与结构复位。

精确混合模态综合法在滞后阻尼结构中的应用

模态综合法是计算大型复杂结构动态参数十分有效的方法。在现有方法的基础上,提出了一种基于同一类完备李兹向量空间的实用完备模态空间作为李兹分析的基向量空间,并将它应用到滞后阻尼结构中,建立了一种精确的混合界面复模态综合法。这种方法比使用"剩余柔度"描述的子结构位移更加精确,且可以获得全结构的模态。

黏滞阻尼器参数对框架结构减震效率的影响研究

通过探究框架结构中黏滞阻尼器参数对结构减震效率的影响,进而研究黏滞阻尼器参数的优化问题。以某一框架结构为背景,采用非线性动力时程分析方法建立三维有限元模型,并以附加阻尼比、顶点位移降低率、基底剪力降低率和层间位移利用率等减震指标为研究对象。首先通过敏感性分析研究了不同黏滞阻尼参数对各指标的影响规律;然后基于响应面法拟合黏滞阻尼参数与各指标之间的关系模型,并通过F检验法和判定系数R 2评估拟合效果;最后建立关键减震指标的目标函数进而寻求最优参数。结果表明:传统的敏感性分析法很难综合考虑不同减震效率指标的共同影响;响应面法拟合精度高,可预测性好,可作为优化模型;考虑与黏滞阻尼器参数匹配的支撑构件刚度后,通过实际工程案例的实操证明了最优阻尼参数的可实现性。提出一套简便且易于操作的黏滞阻尼器参数优化设计方法,为框架结构减震设计提供重要指导。

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

典型工程场地台风剖面及台风作用下结构气动阻尼研究

台风是影响我国沿海地区大跨度、高耸结构安全的关键荷载,台风风剖面与常规良态风风剖面存在显著差异,准确评估台风设计风剖面对于指导沿海结构的抗风设计具有至关重要的意义。基于此,选取了国内外8种主要的规范和标准设计开阔地貌的风剖面,并将其与实测台风风剖面进行对比,发现现行规范在描述台风风剖面时,难以充分反映其随高度和空间位置的变化特征。针对这一不足,提出了三种台风设计风剖面的方法,分别是:1.基于规范建议设计风剖面;2.设计不同高度相同重现期的组合风剖面;3.设计基于特定高度及重现期的真实风剖面,其中方法2和方法3考虑了台风剖面随高度的变化特征。研究结果表明,方法2和3所得的风剖面均大于规范风剖面,方法2获得的风剖面与方法3的平均风剖面较为接近,但方法2获得的风剖面在真实台风中可能并不存在,且方法3有接近一半的真实风剖面高于方法2的结果。进一步分析表明,现行规范中推荐的风剖面可能低估了台风实际风剖面的强度。同时,仅基于不同高度处100年重现期的风剖面也无法全面地反映台风的真实风剖面特性。因此,在考虑风对建筑物的静力响应时,建议采用方法3所得的风剖面作为台风设计风剖面,以确保结构的安全性和可靠性。

一种具有可控数值阻尼的无条件稳定半显式积分算法

结构模型经过有限元方法空间离散化处理之后,可能引入虚假的高频分量,这部分高频分量会对结构的动力响应求解带来不利影响。为此,需要引入算法的数值阻尼有效地抑制这部分虚假的高频分量。使用半显式算法格式,通过匹配隐式ρ_(∞)-Bathe算法放大矩阵的特征方程系数,提出一种具有可控数值阻尼的无条件稳定半显式积分算法,记为NSE(New Semi-Explicit)-ρ_(∞)算法,新算法通过两个自由参数ρ_(∞)和γ控制算法的数值阻尼,并且无需对结构运动方程进行加权处理。对新算法的稳定性、精度、周期延长和振幅衰减等数值特性进行分析,结果表明,新算法对于线弹性体系和非线性刚度软化体系均为无条件稳定。通过具有代表性的数值算例,将新算法与两种具有可控数值阻尼的无条件稳定显式积分算法进行对比,证明新算法能够更加有效地抑制虚假高频分量。

一种数值阻尼耗散可控的结构动力方程积分方法

数值耗散是数值积分方法的重要特性,直接影响数值仿真结果的准确性.对于含有虚假高频振动的动力系统,数值耗散能够改善数值仿真结果,但是对于具有真实高频振动的动力系统,数值耗散则会导致计算结果失真.该研究针对结构动力系统的求解,提出了一种数值耗散可控的两子步隐式数值积分方法.基于理论推导,详细介绍了新积分方法的谱半径、稳定性、振幅衰减和周期延长等数值特性.新隐式积分方法通过算法参数α能够对高频虚假振动数值耗散完全可控,相应的耗散比例为1-α,其中-1≤α≤1.通过单自由度动力系统、高频虚假振动系统和多自由度非线性弹簧质量系统三个典型算例,分别证明了新隐式积分方法在计算精确性、高频数值耗散和非线性求解能力方面的优越性.