调谐质量阻尼控制装置在深圳地王商业大厦风振控制中的应用

本文从控制装置实现角度．研究了调谐质量阻尼控制装置的关键技术，其中包括装置的支撑系统、气压弹簧和液压阻尼器。应用这些技术研究了在地王大厦安装ＨＭＤ装置控制结构风振响应，解决了地王大厦在风荷载作用下总侧移和层间位移角超出我国规范限值的问题。在准确把握结构动力特性和设计准则的前提下，对控制装置的参数进行了设计。系统仿真分析表明，ＨＭＤ控制装置在地王大厦上应用可以有效降低结构侧向位移．

风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制

海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性,针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造,提出利用分布式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs),即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD,形成等边三角形布置,对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果,基于拉格朗日方程和模态叠加法,对海上半潜漂浮式风机-TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。基于H_(∞)算法,即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标,对分布式TMDs的参数进行优化设计,优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。对风机-TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟,分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。结果表明:最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能;在三种不同工况的随机风浪荷载作用下,分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。

建筑楼盖调谐质量阻尼器振动控制

在动力吸振及优化的频率比、阻尼比研究的基础上,设计了调谐质量阻尼器,并基于实体模型开展了振动控制研究,其模态计算频率与设计频率一致。随之,开展了建筑楼盖调谐质量阻尼器振动控制研究,与调谐质量阻尼器质点模型对比研究结果肯定了实体模型设计及计算分析的准确性。继而在此基础上,在有限元环境设计了一种基于实体模型的主动型调谐质量阻尼器,振动控制分析结果及作动器出力肯定了所提方法的有效性。本研究对调谐质量阻尼器在工程应用层面具有指导意义,对主动、半主动等先进型调谐质量阻尼器开发提供了有效途径,具有一定的创新性。

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。

模块化建筑阵列多调谐质量阻尼系统的实现与减震研究

基于建筑模块化和悬挂楼板减震的原理提出了悬挂楼板模块体系(modularized suspended floors system,MSFS)。利用楼板作为质量块,组成分布阵列式多调谐质量阻尼器(distributed array multiple tuned mass dampers,d-array-MTMDs)系统。通过输入32条远场和近场地震动记录进行时程分析,对平均调谐频率比η、调谐频带宽度系数β、调谐阻尼比ζ_(T)、TMD数量n以及主结构层数N,共5个参数展开研究。结果表明:d-array-MTMDs的减震效果优于普通MTMDs系统;ζ_(T)对系统减震性能影响较小,当η为0.7~1.0、β为2.0时,系统具有更好的减震效果;当n大于某阈值时,系统的减震效果趋于稳定,阈值与η线性正相关,与ζ_(T)非线性负相关。随着模块建筑层数的增加,系统也能维持较好的减震效果。

随机激励下带滞变阻尼的调谐质量阻尼器减振性能研究

近年来,阻尼力与位移呈线性关系的新型调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)相继出现,其参数分析优化原理大部分属于动力数值分析缺乏理论参数优化指导。该文对白噪声作用下具有上述特性的TMD,即滞变阻尼调谐质量阻尼器(Hysteretic damping tuned mass damper, HD-TMD)进行减振优化研究。总结了HD-TMD的力学机理并推导出相应的结构-HD-TMD系统运动方程;提出适用于HD-TMD的H_(2)优化和性能平衡设计,并通过数值拟合技术得到了最优参数公式和基于容忍度的性能平衡设计流程;以真实可用的变摩擦摆式调谐质量阻尼器(VFP-TMD)为HD-TMD的实际算例,检验所提出的优化方法对风振激励的减振性能影响。结果表明:H_(2)优化和性能平衡设计下的HD-TMD可以提供略优于传统黏滞阻尼TMD的控制效果。H_(2)优化的最优参数能使HD-TMD发挥最大的潜能从而实现最好的减振率,但面临VFP-TMD行程过大导致的摆动非线性问题。性能平衡设计下的最优参数可以控制VFP-TMD行程在线性范围内,同时发挥出良好且稳定的减振控制效果实现双赢。与最优参数公式结果相比,性能平衡设计的峰值减振率和均方差峰值减振率仅损失3.19%和0.74%。

多自由度结构-串并联调谐质量阻尼器减震性能

针对提出的串并联调谐质量阻尼器(TTMD)减震系统,采用粒子群算法,在频域内对多自由度结构⁃TTMD系统进行优化分析。建立多自由度结构⁃TTMD系统减震控制仿真分析模型,分别考虑不同类型实际地震记录,在时域内研究了TTMD对结构地震响应的控制效率,并与相同总质量比的调谐质量阻尼器(TMD)进行比较。进一步考虑了结构刚度发生10%和30%退化的情况,分析了TTMD系统对刚度退化结构的减震效果。数值结果表明,TTMD系统减震性能和鲁棒性能优于TMD系统,且具有阻尼需求小、安装简单、易于实现等优势,是一种增强型减震系统。

基于双惯容调谐质量系统的半潜式海上风力机振动控制

与固定式海上风力机相比,漂浮式海上风力机的振动问题更为突出,进一步控制漂浮式海上风力机的振动成为了工程难题.针对此问题,探索了惯容调谐质量阻尼器(惯容-TMD,即IBA)系统对半潜式海上风力机的振动抑制效果,并提出一种基于结构阻抗的惯容-TMD综合优化设计方法,从整个设计空间出发保证惯容-TMD的最优性.为寻求最优的减振效果,基于达朗贝尔原理建立风力机-惯容-TMD动力学模型,采用双IBA的控制策略同时对半潜式海上风力机浮台和塔筒的振动响应进行抑制,并从增益效果角度,比较了双IBA与双TMD的减振性能.最后对OpenFAST软件进行二次开发,数值验证了风浪联合作用下双IBA相对于双TMD减振性能的提升.结果表明:双减振装置的减振性能相较于单个减振装置有明显提升,且双IBA振动控制效果要优于双TMD;此外,基于惯容器质量增益效果,在达到最优TMD相同减振效果的情况下,机舱惯容-TMD(NIBA)和浮台惯容-TMD(PIBA)分别可将结构减振器中质量元件的质量减少23.9%和32.2%,大幅降低装置成本.

钢制风力机塔架非线性预应力调谐质量阻尼器振动控制性能研究

悬吊式调谐质量阻尼器原理明确、安装简便,已在高层建筑、高耸输电塔等众多结构中得到了广泛应用,近年来在钢制风力机塔筒方面也逐步得到广泛关注。预应力调谐质量阻尼器(prestressed tuned mass damper,PS-TMD)通过附加下拉索并施加预拉力,可采用摆长和预拉力两个参数进行振动控制调谐,在高柔钢制风力机塔架振动控制中能充分发挥作用。但PS-TMD中拉索变形会引起非线性响应,进而影响控制性能。鉴于此,基于动力学原理建立考虑柔索效应的PS-TMD非线性运动方程,推导了拉索发生变形情况下PS-TMD动力系数及分支共振点频率比;通过优化分析给出了PS-TMD最佳调谐参数的选择方法;某3.2 MW风力机塔筒数值算例结果表明,考虑柔索效应后PS-TMD的动力系数幅值小于同参数下线性PS-TMD,共振响应下减振性能和能量耗散能力更为突出。5组风载荷下振动控制结果表明,考虑柔索效应后PS-TMD对塔架结构的风致响应振动控制效果优于相应线性PS-TMD系统。

弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器减震性能优化研究

为了提高弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器(spring pendulum pounding tuned mass damper,SPPTMD)的减震性能,采用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对其关键参数进行了优化。推导了SPPTMD减震系统的运动方程,同时建立了系统的仿真分析模型。选取阻尼器频率比、内共振系数和碰撞间隙为优化变量,以结构峰值响应最小为优化目标,编制了SPPTMD优化程序。对比了优化前后SPPTMD在不同场地上12条地震动作用下的减震效果。研究结果表明:SPPTMD的最优参数与场地类别相关;优化后阻尼器的减震性能有明显提高,其中,Ⅳ类场地优化效果最好。

摇摆双调谐质量阻尼器参数优化及动力性能研究

提出了一种具有更广调频宽度的摇摆双调谐质量阻尼器(dual-tuned mass damper,RDTMD)。首先,建立了单自由度RDTMD减振系统在简谐激励作用下的动力方程,推导得出其位移动力放大系数表达式;然后,基于RDTMD的优化评价函数,编译参数优化程序,获得RDTMD的全局最优参数以及条件最优参数;接着,探讨了阻尼器各参数对系统动力放大系数和调频宽度的影响规律,并对影响其鲁棒性的关键参数做了分析;最后,与传统DTMD、MTMD、TMD的减振效果和鲁棒性做了对比分析。分析结果表明:采用RDTMD对结构进行控制可有效降低主结构的动力响应;RDTMD的调频宽度更广,提高了阻尼器对主结构高阶振型的控制能力;在对装置鲁棒性的影响更大的主结构固有频率方面,RDTMD的鲁棒性明显优于其他同类阻尼器,是一种理想的减振控制装置。

多重滚动碰撞式调谐质量阻尼器及其减振性能研究

在以往滚动碰撞式调谐质量阻尼器(PTRMD)的研究基础上,提出了一种能分散布设在空腔楼板预制腔体内的多重滚动碰撞式调谐质量阻尼装置(MPTRMD)。该方式隐藏了控制装置,不额外占用建筑的使用空间,不影响结构的布置和使用功能,且布置灵活,可根据优化情况在结构平面和高度方向上按需设置。同时,该装置将振子质量分散到多个阻尼器,使其在不影响减振性能的情况下做到控制装置小型化,从而对有大附加质量需求的质量阻尼器在技术上提供了可能。推导了设有该装置的受控系统动力学方程,并对其减振性能进行了研究。结果表明,所提多重滚动碰撞式调谐质量阻尼装置在不同布置方式下均能有效减小结构的动力响应,具有很强的耗能能力。对于阻尼器拆分数量的分析表明,将PTRMD的振子拆分后,在开始个数不多时阻尼器的控制效果快速提升,但随着数量进一步增多,达到一定程度后,其提升能力趋缓并出现下降趋势,存有一个最优区间。

结构双重调谐质量阻尼器(DTMD)控制策略研究

MTMD比TMD具有明显高的鲁棒性。然而,MTMD中各质量块位移不同,总的来说,呈递增或递减趋势,因而各质量块的有效性未得以充分发挥。再者,MTMD比TMD复杂,因而其造价比TMD高。鉴于此,本文提出一种新控制策略——双重调谐质量阻尼器(DTMD)。基于定义的二类最优化目标函数,评价了双重调谐质量阻尼器(DTMD)的控制性能。数值结果表明,利用第二类设计准则(新准则)设计的双重调谐质量阻尼器(DTMD)与由5个TMD组成的MTMD具有近似相同的有效性和鲁棒性。因此,双重调谐质量阻尼器是一种先进的控制策略。

基于调谐转动惯量阻尼器的结构摆振控制方法(Ⅱ):足尺模型试验与TRID装置小型化研究

基于前期研究工作建立了调谐转动惯量阻尼器(tuned rotational inertia damper,TRID)理论模型并进行数值分析和小比例模型试验,首先对一台中型桥式起重机的吊钩进行了摆振控制的足尺模型试验,进一步验证了TRID系统控制悬吊结构摆动的有效性.其次针对某大型海洋起重铺管船浪涌致吊钩摆动问题设计了TRID控制系统.然后针对在大型工程实际应用中TRID系统需要较大转动惯量的问题,提出了通过引入变速器使TRID系统小型化的方案,并对该方案进行了理论分析和数值模拟验证,结果表明,通过引入变速装置,TRID系统可以采用较小的实际转动惯量来获得等效的大转动惯量,从而可以使TRID系统实现小型化.

结构的多重双重调谐质量阻尼器控制策略

提出多重双重调谐质量阻尼器(MDTMD)控制策略。MDTMD由任意奇数或偶数的双重调谐质量阻尼器(DTMD)组成。MDTMD参数组合形成十种MDTMD模型即MDTMD(I-1)-MDTMD(I-5)模型和MDTMD(II-1)-MDTMD(II-5)模型。利用定义的优化准则,评价了MDTMD(I-1)的控制性能。数值结果表明MDTMD(I-1)比DTMD和基于任意整数多重调谐质量阻尼器(MTMD)和基于奇数MTMD具有更好的有效性和鲁棒性。但MDTMD冲程大于DTMD冲程;MDTMD小TMD冲程大于MTMD冲程。

颗粒调谐质量阻尼器减震控制的数值模拟

提出一种颗粒调谐质量阻尼器,即通过摆绳将颗粒阻尼器悬挂于主体结构上,将目前广泛应用的调谐质量阻尼器与减震效能优越的颗粒阻尼器结合起来,以扩大减振频带,增加减振鲁棒性。基于一定的等效原则将多颗粒阻尼器等效为单颗粒阻尼器,提出一种近似的颗粒调谐质量阻尼器数值模拟方法,并介绍了系统参数的取值方法。进行了附加颗粒调谐质量阻尼器的单自由度结构实际地震输入下的振动台试验,通过对比试验结果与数值模拟结果,发现两者吻合较好,说明该简化方法可以较好地模拟颗粒调谐质量阻尼器的减震控制效果。

采用双向调谐质量阻尼器的大跨度桥梁风振控制仿真分析

传统的调谐质量阻尼器(TMD)设计均仅针对结构某一阶模态单独设置,当用于密频结构减振时会导致附加质量过多。为减小TMD的附加质量,结合大跨度斜拉桥结构的密频与风致耦合振动特点,提出了一种新型的双向共享质量与电涡流阻尼式TMD。具体实现方式是:水平、竖向TMD的刚度构件分别采用悬臂梁与压簧,将水平向TMD整体置于压簧上面,从而构成竖向TMD的质量;导体板固定不动,使安装在TMD质量块的永磁体阵列随质量块竖向或水平方向运动,从而分别产生竖向与水平向的电磁涡流阻尼。研究结果表明:(1)电涡流阻尼可以很好地实现双向TMD装置的共享阻尼,且电涡流阻尼的大小可以很方便地调节;(2)采用双向TMD进行斜拉桥的风致振动控制减振效果良好,可行性强。

双向水平及扭转调谐质量阻尼器及其减震控制研究

调谐质量阻尼器可以减小地震作用下的结构动力响应,但传统的调谐质量阻尼器在控制结构平移-扭转耦联多维振动方面存在不足。提出由调谐质量块、扭转质量块及扭转杠杆等组成的双向水平及扭转调谐质量阻尼器,利用其自身的平移和转动可以实现对结构水平及扭转振动控制。根据该多维调谐质量阻尼器的运动机理,建立了考虑偏心扭转效应的结构减震体系控制运动方程。以一装有多维调谐质量阻尼器的偏心结构为算例,对结构在地震作用下的扭转耦联减震性能进行研究,并对多维调谐质量阻尼器与传统单向调谐质量阻尼器的减震效果进行了对比分析。结果表明:合理布置的多维调谐质量阻尼器能有效降低结构在水平两向及扭转方向的振动,其减震明显优于传统的单向调谐质量阻尼器。

变频调谐质量阻尼器在线控制转子振动的应用研究

提出研究一种适用于旋转机械频率可在线连续调节的笼式调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),通过在线改变其悬臂杆有效长度可连续改变TMD的刚度,从而实现TMD频率的调节。该笼式TMD具有结构紧凑、刚度调整范围大等优点。建立转子-TMD的有限元模型,设计基于转速的分段控制策略实现对该TMD的频率调节控制,仿真对比分析TMD在频率可控及不可控情况下对柔性转子过临界及在工作转速下的不平衡振动抑制效果,并设计相应的实验平台进行验证分析。仿真及实验结果均表明:基于转速的分段控制策略能实现在线控制TMD频率调节,有效控制柔性转子过临界及工作转速的不平衡振动,相对于被动型频率不可调TMD更具有优势,其减振效果明显,降幅高达90.8%。

基于调谐质量阻尼器的装配式钢桁桥振动控制研究

针对装配式钢桁桥跨度逐渐增大引起的结构振动问题,应用调谐质量阻尼器(Tuned mass damper,TMD)进行振动控制。运用ANSYS软件建立了某型装配式钢桁桥的有限元模型,通过模态分析和谐响应分析确定了受控模态。根据Den Hartog理论对TMD的参数进行设计,分别对无控模型和有控模型进行瞬态动力分析,计算结果表明,在TMD控制下该桥的位移响应和加速度响应均得到了有效抑制。进一步研究发现随着质量比的增大,TMD的控制效果逐渐增强,但增强的幅度逐渐降低。