自适应多重TMD在大跨楼板结构减振中的应用

多重调谐质量阻尼器(multiple tuned mass damper,简称MTMD)常被用于大跨楼板结构的竖向振动舒适度控制中。为改善目前工程中使用的MTMD对频率调谐敏感和难以调频的缺点,提出了一种自适应多重调谐质量阻尼器(adaptive-passive MTMD,简称AP-MTMD)减振系统。该系统中的每个自适应调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)均具有可变质量的构造,以及由加速度传感器、控制电路板和驱动装置组成的伺服控制系统。环境激励下,控制电路板采集置于主结构上加速度传感器的信号,通过基于小波变换(wavelet transformation,简称WT)的频率识别方法识别得主结构的主导自振频率,然后自发地启动驱动装置改变TMD的质量以调谐自身频率至所识别得到的主结构频率。以某大跨楼板结构为例进行分析,首先,通过现场实测修正有限元模型;其次,根据修正前的结构模型设计了一套自适应多重TMD系统,验证了其频率自适应调节的鲁棒性;最后,通过施加若干种人行荷载,对比了启动调节前后的MTMD系统对修正后模型的减振效果。结果表明,自适应多重TMD能够自发地调谐自身频率,提高对楼板结构人致振动的减振效果。     

自适应多重TMD在大跨楼板结构减振中的应用

多重调谐质量阻尼器（multiple tuned mass damper，简称MTMD）常被用于大跨楼板结构的竖向振动舒适度控制中。为改善目前工程中使用的MTMD对频率调谐敏感和难以调频的缺点，提出了一种自适应多重调谐质量阻尼器（adaptive-passive MTMD，简称AP-MTMD）减振系统。该系统中的每个自适应调谐质量阻尼器（tuned mass damper，简称TMD）均具有可变质量的构造，以及由加速度传感器、控制电路板和驱动装置组成的伺服控制系统。环境激励下，控制电路板采集置于主结构上加速度传感器的信号，通过基于小波变换（wavelet transformation，简称WT）的频率识别方法识别得主结构的主导自振频率，然后自发地启动驱动装置改变TMD的质量以调谐自身频率至所识别得到的主结构频率。以某大跨楼板结构为例进行分析，首先，通过现场实测修正有限元模型；其次，根据修正前的结构模型设计了一套自适应多重TMD系统，验证了其频率自适应调节的鲁棒性；最后，通过施加若干种人行荷载，对比了启动调节前后的MTMD系统对修正后模型的减振效果。结果表明，自适应多重TMD能够自发地调谐自身频率，提高对楼板结构人致振动的减振效果。     

主被动调谐控制结构动力响应分析与试验

针对地震和风振下结构的振动控制,提出了结构主被动复合调谐控制的策略,以及采用直线电机驱动主动质量阻尼器(active mass damper,简称AMD)、中空橡胶隔震支座作为调谐质量阻尼器(tune mass damper,简称TMD)弹性单元、滑轨作为TMD支撑轨道的主被动复合调谐控制装置实现方法,进行了主被动复合调谐控制对结构动力响应控制的效果及减震机理分析,探讨了反馈响应向量对控制效果、AMD控制力和AMD位移的影响,完成了线性二次高斯算法(linear quadratic Gaussian,简称LQG)控制算法和H2/H∞控制算法时的主被动复合调谐控制结构振动台试验。研究结果表明:结构主被动复合调谐控制能有效减小结构的动力响应,改善TMD的性能;采用直线电机驱动的AMD作为主动控制装置,为防止AMD"飘移",AMD位移应作为目标向量和反馈响应;LQG控制算法总体控制效果优于H2/H∞控制算法。试验验证了提出的主被动复合调谐控制硬件系统方案的可行性,为工程应用提供了支撑。     

双调谐液体柱形阻尼器及其基本动力性能

借鉴被动调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)和调谐液体柱形阻尼器(tuned liquid column damper,简称TLCD)各自的优缺点,结合土木工程结构减震装置的经济性和适用性,提出了一种双调谐液体柱形阻尼器(doubly tuned liquid column damper,简称DTLCD),建立了简谐激励作用下单自由度DTLCD控制体系(DTLCD-SDOF)的运动方程,推导了其动力反应放大系数。提出了针对DTLCD的调优策略及优化评价函数,通过相关算法获得DTLCD-SDOF系统的参数优化程序,并利用该程序得到了DTLCD的最优参数。具体分析了不同参数对DTLCD共振峰值和调频宽度的影响,并对阻尼器阻尼参数或受控结构频率发生变化后DTLCD的鲁棒性进行了评价。对DTLCD,TMD,TLCD及DTMD的有效性和鲁棒性进行了对比分析。理论与数值研究结果表明,DTLCD的控制效果明显优于TMD和TLCD,与DTMD效果相同,并且在主结构频率的摄动方面拥有更佳的鲁棒性。事实证明,DTMD比TMD和TLCD更具工程适用性。     

调谐质量阻尼器的减振研究

调谐质量阻尼器(TMD)对各类结构的减振具有良好的效果,但也有其频率过于敏感而引起的局限性。本文从实际的高层结构到多自由度理论模型,对调谐质量阻尼器的减振做了深入研究,结果表明TMD系统的减振效果非常明显。当TMD系统无阻尼时,虽然在共振频率处减振效果很好但在其附近及其他频率比处振动比较严重,不适合实际工程。加装适当的阻尼可以扩大TMD的减振作用范围,但TMD对频率比较敏感,只有在频率接近结构频率时,它才会产生良好的减振效果。     

钢连桥人致振动及TMD减振效应实测与分析

以某室外大跨轻柔钢结构人行桥为案例,介绍了该结构的设计概况及调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)减振设计,分别在结构施工完成后以及TMD装置安装后对其进行了实地动力测试,测得了该结构减振前后的模态特性以及在多种人行荷载工况下的振动响应,采用加速度峰值和均方根值为评价指标,分析了钢连桥人致振动情况及特性。结果表明:一端设计为滑动连接的钢连桥人致振动主要由第1阶竖向振型控制,扭动及水平振动响应相对较小;安装经优化设计的TMD装置后,整体连桥的频率特性没有明显变化,分布式TMD对多种频率激励工况均有良好的调谐减振作用,减振率达到35%~70%;共振激励下测得的原结构阻尼比较小,安装TMD后结构的阻尼比提高4倍,并且呈现出在自由振动衰减的前期较大,随着振动幅度变弱阻尼比降低;测试中发现TMD装置的减振效率对其阻尼比的变化不敏感。     

调谐质量阻尼器参数优化及其应用

在分析调谐质量阻尼器（Toned Mass Dampers，简称TMD）减振原理以及TMD参数对主结构振动特性影响的基础上，得出了TMD参数优化的理论依据，进而采用改进的单纯形法计算出优化的TMD参数值，并通过在桥梁振动控制中的应用，说明了所得出的TMD优化参数对于小阻尼既有结构进行振动控制是非常有效的。     

非线性-线性联合减震控制方法频谱特性分析

非线性质量阻尼器和线性质量阻尼器相联合的结构控制方法将非线性能量阱(nonlinear energy sink,简称NES)和调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)的特点集中于一个或一组装置中,使其在具有较高减振性能的同时兼备较强的鲁棒性能。为研究单质量联合阻尼器和双质量联合阻尼器的减震性能,在某8自由度主体结构顶层分别附加各类控制装置,包括单联、双联、TMD和NES,并在脉冲型荷载作用下对各控制装置进行参数优化,考察其能量鲁棒性和频率鲁棒性。在地震作用下进行减震效果对比和频谱特性分析,得出在反应谱曲线呈斜坡型时,带有非线性特点的控制方法减震性能相对TMD较好。综合输入能量和频率变化两方面因素,非线性-线性联合控制方法减震性能更优越。     

Design and analysis of micro-mass sensor based on I-shaped cross-section cantilever

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度.本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器.建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响.与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×104 Hz/g和1.5×104 Hz/g,前者是后者的2倍.该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路.     

基于TMD控制的风力机结构抗震研究

湍流风与地震是导致风力机塔架振动最主要的因素。为研究风-震耦合工况下风力机结构的动力学响应特性及抗震控制,以NREL 5 MW风力机为研究对象,通过Wolf方法建立土-构耦合模型,基于多体动力学仿真开源软件FAST平台二次开发地震载荷计算模块,通过自编译程序在塔顶配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD),对地震作用下风力机塔架进行结构控制。结果表明:地震载荷极大加剧了塔架侧向振动,激振频率为塔架一阶侧向固有频率;TMD控制时塔架和机舱动力响应明显减小,其中塔顶侧向位移幅值变化范围缩小18%,标准差减小了67%,塔架一阶固有频率处响应幅值大幅降低,高达90%;塔顶侧向加速度变化幅度降低4%,标准差缩小了61%,塔架一阶固有频率处振动峰值降低了88%。结果表明,TMD方法可用于地震等极端环境下风力机的抗震控制,提高风力机运行稳定性。     

自适应多重TMD在大跨楼板结构减振中的应用

双轴振镜系统是扫描式激光多普勒测振仪中控制激光束运动的核心部件。通过双轴振镜系统中X，Y振镜的空间位置关系及光学反射原理，建立了激光束方向与X，Y振镜偏转角度之间的关系及其数学模型， 并进一步基于多项式拟合算法实现了激光点从振镜系统坐标系到实测结构坐标系的坐标变换，从而可高精度控制扫描激光的姿态。 同时，利用高清摄像头将测试坐标系转换到屏幕坐标系，提高了该方法的实际操作性。最后，以某型压气机叶片为例对该方法进行了验证，结果表明本方法对实现激光在实测结构表面任意测点的精确位置控制提供了理论基础，具有较好的指导作用。     

TLCD基础隔震框架结构的减振控制研究

为了避免和减轻由过大隔震层位移引起的损害,对基础隔震框架结构装设调频液柱阻尼器(tuned liquid column damper,简称TLCD)后混合系统的减振效果进行研究。建立了单层和多层混合控制系统在地震作用下的运动方程,采用TLCD-结构体系转化为调频质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)-结构体系的等效方法,利用TMD参数优化公式,得到单个TLCD初始设计参数,并采用状态空间方程得到多个TLCD最优设计参数。通过对某8层基础隔震结构进行模拟,证明了该理论设计方法的合理性。该混合结构不仅可以减小隔震层位移和加速度,而且对上部结构位移和加速度反应都能更有效的控制。     

采用半主动TMD的建筑结构振动控制研究

为了改善在建筑结构中采用调频质量阻尼器（简称TMD）进行抗震时抗震效果不稳定和抑制频带窄等缺点，研究了变阻尼半主动调频质量阻尼器（简称STMD）。为了使阻尼变化容易实现，在设计激励力时采用了阶跃函数方式；同时还考虑到变动阻尼应在一定范围内进行的特点，提出了含约束的结构振动半主动控制方案；在控制策略方面，考虑到地震的随机性，引入了广义预测控制方法。从实例分析可知，采用STMD可以使设计质量、刚度和阻尼值分别下降约30％，90％，90％。计算仿真结果表明，采用STMD的抗震效果比TMD要好得多。     

细长结构风诱导振动非线性调谐质量阻尼器减振装置性能试验

风诱导振动导致石化塔设备和烟囱等细长结构疲劳破坏的事故时有发生,非线性调谐质量阻尼器(TMD)可对结构进行振动控制。为了研究此类非线性TMD的减振性能,对非线性TMD装置控制细长结构风诱导振动进行模型设计并开展试验研究,对比在不同激励大小和不同钢丝绳隔振器初始预紧量两个条件下TMD装置的减振效果。结果表明:含钢丝绳隔振器的非线性TMD装置在主系统共振区附近减振性能优良,振幅减小了85%左右。钢丝绳隔振器处于不同初始压缩预紧时,减振效果均很好,处于不同初始拉伸预紧时,减振效果快速下降。在隔振器压缩变形允许范围内,激励越大,减振效果越好。     

磁流变液阻尼器振动控制测试系统的设计

设计了用于测试磁流变液阻尼器减振效果的半主动控制系统,利用压电式加速度传感器、数据采集卡和伺服电动机,通过数字PID的控制方式控制电动机转速和磁流变液阻尼器的活塞运动频率;利用VC++6.0软件设计了数据采集和控制程序,并对某结构进行了振动控制的实验研究,实验结果表明:设计的振动控制测试系统能使结构的振幅减小明显,减振效果良好。     

基于参数识别的双向偏心结构TMD优化布置

针对实际多维结构的偏心距难以直接获得的情况,提出基于扩展卡尔曼滤波算法实现偏心结构整体质量、水平刚度和偏心距的同步识别方法,并由此指导调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)的实际最优布置位置。以一非对称钢筋混凝土框架结构为例,基于自由振动及参数识别算法实现结构整体偏心距等参数的准确识别,分析了不同位置布置TMD对结构减震效果的影响。结果表明:扩展卡尔曼滤波对结构多参数识别具有较高的精度,在此基础上选取合理位置布置TMD对双向偏心结构具有更好的减震效果,且具备较强的工程可行性。     

烟气脱硫塔风诱导振动的TMD控制研究

针对高塔设备风诱导振动的实际问题,提出采用调谐质量阻尼器（TMD）对其进行被动控制。以某烟气脱硫塔为例,运用数值仿真技术,首先通过模态分析获得结构的自振特性,然后利用谐响应分析研究调谐质量阻尼器控制效果随其参数变化的一般规律,并应用更为精确的时程分析法对减振前后高塔设备的风诱导振动情况进行了对比分析。研究结果表明：质量、频率比及阻尼比对控制效果有重要影响,应对其进行优化。参数优化后,塔顶的最大振幅减小了89．4％,减振效果十分显著。     

Chatter suppression in micro-milling using shank-mounted Two-DOF tuned mass damper

The tuned mass damper (TMD) has been used in machining processes for reducing forced vibration, suppressing chatter, and improving machined surface quality. In micro-milling process, the tiny size of the cutting tool-tip and the high rotating speed bring challenges in implementing the TMD. Besides, the TMD needs to have two degrees-of-freedom (DOFs) for reducing vibrations of micro-mill in two orthogonal directions. This paper presents the chatter suppression for micro-milling by attaching a two-DOF TMD to the tool shank and rotates with the cutting tool. The frequency response function (FRF) at the tip of the micro-mill clamped by an aerostatic spindle is predicted using receptance coupling analysis. A two-DOF TMD is designed via graphical approach based on the FRF result at the tool-tip. The natural frequencies and damping ratio of the TMD are optimized under different spindle speeds in order to enhance the cutting stability. The chatter stability of micro-milling is predicted considering the gyroscopic and centrifugal effects of the TMD structure. Modal tests and micro-milling experiments are conducted to validate the effect of the TMD on chatter stability. The results show that the TMD is able to improve the critical depth of cut by 13 folds, and satisfy the compact design requirement for micro-milling.