SMA阻尼器控制单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动研究

对安装有超弹性形状记忆合金(shapememoryalloy,简称SMA)阻尼器的单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动进行了理论研究:假定地震地面运动是具有平稳过滤有色噪声模型的随机过程,确定了与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)相对应的随机地震动模型参数(平稳持时和谱强度因子);建立了SMA阻尼器控制的单自由度结构在平稳地震动过程下的状态方程,并采用随机等价线性化法推导了其平稳反应公式以及基于首超破坏准则的结构动力可靠性公式;通过算例,证明了随机振动解析式是可行的,并指出SMA阻尼器能消耗地震能量,从而有效抑制结构的振动,增加结构动力可靠性。     

SMA阻尼器控制单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动研究EI北大核心CSCD

对安装有超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)阻尼器的单自由度结构在地震激励下的平稳随机振动进行了理论研究:假定地震地面运动是具有平稳过滤有色噪声模型的随机过程,确定了与《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)相对应的随机地震动模型参数(平稳持时和谱强度因子);建立了SMA阻尼器控制的单自由度结构在平稳地震动过程下的状态方程,并采用随机等价线性化法推导了其平稳反应公式以及基于首超破坏准则的结构动力可靠性公式;通过算例,证明了随机振动解析式是可行的,并指出SMA阻尼器能消耗地震能量,从而有效抑制结构的振动,增加结构动力可靠性。     

基于微滑移解析模型的干摩擦阻尼叶片稳态响应分析

基于单边微滑移解析模型,建立了阻尼器干摩擦力的本构关系,该模型可以较好地描述摩擦界面粘滞一滑移状态以及在同一时刻阻尼器各局部拉、压应变不同而产生的摩擦力方向的不同。采用等效刚度和等效阻尼对干摩擦力的非线性特征进行了线性化处理。引入干摩擦阻尼因子度量干摩擦阻尼效果。采用谐波平衡法对简化的带阻尼器叶片系统进行了强迫振动响应分析。分析表明：干摩擦阻尼器对叶片的作用体现在阻尼和刚度两个方面,于摩擦阻尼因子是评价干摩擦阻尼效果的一个较好的参数;存在最佳的正压力,使干摩擦阻尼因子最大,响应最小。     

一种新型电涡流阻尼器及阻尼性能研究

基于电涡流原理提出一种新型的可用于航天器振动被动抑制的电涡流阻尼器。首先,依托数值仿真建立阻尼器的磁场和力学有限元分析模型,对阻尼器的性能进行分析计算。其次,在振动测试实验台上进行阻尼特性测试,获得了小位移0.1 mm、大位移1 mm下的1 Hz～50 Hz频率范围内正弦激励作用工况下的阻尼系数。然后根据Bouc-Wen滞回模型建立了阻尼器的力学模型,研究了负载、阻尼器结构、交变洛仑兹力之间的关系。研究结果表明这种新型的电涡流阻尼器在外载激励作用下能够输出与仿真结果较为接近的阻尼力,且阻尼系数随激励频率变化具有明显的规律性,根据仿真和实验结果建立的阻尼力力学模型可以很好地用于电涡流阻尼器的力学特性仿真分析。     

安装粘滞阻尼消能支撑结构随机地震反应分析

对安装有粘滞阻尼消能支撑的多自由度减震结构基于随机地震动模型的动力反应进行了研究。假定地震地面运动为具有金井清谱的平稳过滤高斯白噪声过程,采用等效线性化的粘滞阻尼器力学模型,建立了粘滞阻尼减震结构在随机地震动模型激励下的动力方程。考虑到粘滞阻尼器附加给结构的阻尼矩阵为非经典阻尼矩阵,不能满足振型正交的解耦条件,将动力方程表达为状态方程形式,在状态空间内运用复模态分析方法和随机振动理论建立了减震结构和减震装置地震反应计算方法,在时域内推导了粘滞阻尼减震结构随机反应的统计特征解析式。最后,通过一个设置粘滞流体阻尼器的框架结构计算实例,说明了这种方法的运用。该方法引入了状态空间的概念,可直接对结构的动力方程进行解耦,求解随机反应的时域解析解,使得减震结构方差反应等统计量的计算非常简便,并且可以为粘滞阻尼减震结构抗震可靠性分析和基于可靠度优化提供基础。     

磁流变式调谐液柱阻尼器对结构风致抖振控制研究

磁流变式调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)是由调谐液柱阻尼器(TLCD)和磁流变液阻尼器(MRD)组成的新型半主动控制装置.建立了含有半主动控制力项的MR-TLCD力学模型以及MR-TLCD与单自由结构耦合运动方程,等效线性化处理了MR-TLCD力学方程中的非线性阻尼项.采用谱分析方法研究了MR-TLCD对单自由结构风致抖振情况下控制效果.研究结果表明,在质量比和频率比一定的情况下,MR-TLCD能够通过只改变外接电源进而改变MR-TLCD阻尼力即可实现良好的优化减振性能.且加速度控制效果优于位移控制效果.     

基于能量法的调谐黏性质量阻尼器地震响应预测式研究

建立附加调谐黏性质量阻尼器的多层钢框架结构,简要分析其力学模型。建立能量平衡方程,并给出主结构弹性振动能、阻尼器弹性振动能、阻尼器黏性阻尼耗能的表达式,推导出剪力系数和层间位移的预测式。提出质量阻尼能量分散系数和黏性阻尼能量分散系数的简化计算公式。利用时程分析法验证了预测式和简化计算公式的准确性。利用位移降低率和剪力降低率的不同线性组合得出不同使用要求下的阻尼器优化置放量。结果表明:(1)简化计算公式能够近似地计算能量分散系数;(2)本文的预测式包络时程分析法的结果,能够比较准确地预测结构的地震反应;(3)当采用优化分布规律,质量比为0.2,刚度比为0.8,阻尼器阻尼比为0.8时,各种使用要求下的减震效果最佳。     

随机车流制动状态下斜拉桥黏滞阻尼器振动控制研究

为了研究随机车流制动状态下斜拉桥的结构纵向响应以及黏滞阻尼器的振动控制效果,结合采集的交通荷载数据与交通流关键参数统计,建立3种车流密度的随机车流模型。其次基于车-桥系统耦合关系,利用改进折半查找法确定单主梁模型车辆荷载加载方法,编制单主梁模型车-桥耦合分析模块。通过建立的随机车流制动模型,对斜拉桥制动工况下结构纵向响应、纵向黏滞阻尼器振动控制效果和制动影响因素进行分析。结果表明:随机车流制动工况下,会产生相反方向的制动响应,且桥梁结构响应大于正常随机车流;纵向黏滞阻尼器可有效控制结构纵向位移,速度指数α越小,阻尼系数C越大,控制效果越突出,控制效率最大可达到90%左右;桥梁后半段制动响应和制动系数明显大于前半段的制动响应;制动车道越多,制动响应和制动系数越大;对于车流密度,制动产生的响应和制动系数大小规律为——密集流适中流稀疏流。     

附加双线性油阻尼器斜拉索的阻尼特性研究

利用Galerkin法,得到附加双线性油阻尼器拉索的运动方程。通过Runge-Kutta-Felhberg(RKF)方法得到其自由振动衰减曲线,并基于能量损耗原理的方法计算出拉索的模态阻尼。分析了双线性油阻尼器的一次阻尼系数、二次阻尼系数和变换速度对拉索阻尼的影响。提出了基于一个周期内消耗能量相同的线性化等效设计计算方法,并与数值计算分析结果进行比较分析。研究结果表明双线性油阻尼器较线性阻尼器具有其独特的优点。     

位移放大型黏弹性减震系统力学模型与地震响应分析

针对消能减震结构在层间位移较小时耗能效率欠佳的问题,提出了一种可将结构层间位移放大的黏弹性阻 尼器,并建立了位移放大型阻尼系统的力学模型,完成了位移放大 2.5 倍的黏弹性阻尼器和普通黏弹阻尼器的力学 性能对比试验,最后通过算例分析探讨了不同减震结构的地震响应。所提出的力学模型与试验结果吻合。位移放 大型阻尼器的出力和耗能相比普通阻尼器被有效地放大。多遇地震下,附加位移放大型黏弹性阻尼器减震结构的 附加阻尼比显著提升,阻尼耗能是普通减震结构的 1.98 倍。     

基于齿轮机构的SMA-摩擦阻尼器试验研究及数值模拟EI北大核心CSCD

基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点,提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器,并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验,考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律;分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验,得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律;建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明:所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大,性能更稳定;新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力,可实现大行程设计;利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好,验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。     

利用SMA开发耗能阻尼器的实验研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简记为SMA)是一种新型的智能材料,除了具有形状记忆效应(Shape Memory Effort,简记为SME)外,还拥有相变伪弹性(Pseudo-Elasticity,简记为PE)性能和高阻尼耗散因子的性能。文章基于SMA的相变伪弹性的力学原理,设计并制作了SMA耗能器,并对器件进行了性能测试。结果表明,(1) SMA耗能器具有非常显著的阻尼耗能性能,平均等效粘滞阻尼比最大可达到33.56%,最小也有14%,能较好地满足结构被动耗能振动控制的要求;(2) SMA耗能器的阻尼性能与加载频率有关,在低频加载时阻尼性能较好,但随着加载频率的提高,阻尼性能逐步下降;(3) SMA耗能器的阻尼性能与最大行程的大小有关,当最大行程过小或过大时,其等效粘滞阻尼比较小,当最大行程为极限行程的1/2大小时取得最大等效粘滞阻尼比;(4) 在多次循环加载时,器件的应力应变滞回曲线具有整体向上的漂移现象,吻合了其他学者进行的SMA材料试验结果,这一现象的发现提高了此次研究中检测到的试验数据结果的可信度;(5) 实验结果与理论分析结果吻合程度较好,表明器件的设计是合理的、加工制作的工艺满足了理论要求。     

应用SMA智能阻尼器的结构模糊控制

利用形状记忆合金(SMA)的弹性模量随温度变化的特性和SMA超弹滞回耗能特性,设计提出一种新型SMA智能阻尼器。采用模糊控制器确定SMA智能阻尼器的SMA丝工作组数,从而瞬时准确地确定SMA智能阻尼器的刚度和阻尼的档位,并有效降低受控结构地震反应。利用MATLAB提供的模糊控制工具箱和Simulink模块建立仿真模型,数值分析某三层框架结构在无控、主动控制和模糊控制三种情况下的地震反应。仿真结果表明:在模糊控制情况下框架结构底层位移和加速度反应幅值分别降低了41%和48%,控制效果显著,接近主动控制的效果,从而验证了所设计提出的SMA智能阻尼器及其模糊控制的有效性与可靠性。     

基于NES的空间桁架结构被动减振研究

该文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效方法将梁式桁架结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的横向振动位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应,且当NES附件的质量增加时,系统的振动振幅下降更快,NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5 s左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施加相同的位移激励幅值(15 mm),在此情况下,NES附件的质量越大,悬臂梁结构的瞬态响应衰减效率越高。实验结果与理论计算结果吻合较好。     

新型旋转放大式黏弹性阻尼器性能试验研究

该文提出了一种新型旋转放大式黏弹性阻尼器,该阻尼器利用杠杆原理将梁柱节点处相对较小的转角变形成倍放大。通过放大转角变形,充分发挥阻尼器的耗能能力,可实现更理想的减震控制效果。介绍了阻尼器的基本构造及工作原理,并加工制作了实物模型;进而对其进行频率相关性、变形相关性以及疲劳性能加载试验,探究其最大阻尼力、等效剪切刚度、每循环耗能和等效粘滞阻尼比等力学性能指标的变化规律;并与传统无放大功能转角阻尼器的力学性能进行了对比,验证了所提阻尼器的耗能放大能力。试验结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满,滞回性能稳定,抗疲劳性能良好;与传统转角无放大功能阻尼器相比,其耗能能力最大可提高4.42倍。     

利用SMA进行桅杆振动控制的研究

提出了一种利用形状记忆合金(SMA)控制桅杆结构振动的新方法，即将SMA丝作为桅杆结构的纤绳或纤绳的一部分，把它和PSD传感器、数据采集板、计算机、恒流源组成控制系统，利用恒流源输出电流加热SMA丝，使其处于超弹性状态，变成性能优异的主动阻尼器，进而对桅杆结构的振动进行控制。对桅杆结构的振动主动控制试验表明，处于主动阻尼状态的SMA纤绳可以有效抑制结构振动。     

Stochastic sensitivity analysis of energy-dissipating structures with nonlinear viscous dampers by efficient equivalent linearization technique based on explicit time-domain method

Nonlinear fluid viscous dampers have been widely used in energy-dissipating structures due to their stable and high dissipation capacity and low maintenance cost. However, the literature on stochastic optimization of nonlinear viscous dampers under nonstationary excitations is limited. This paper is devoted to the stochastic response and sensitivity analysis of large-scale energy-dissipating structures equipped with nonlinear viscous dampers subjected to nonstationary seismic excitations. The analysis procedure is developed in the frame of the equivalent linearization method (ELM) in conjunction with the explicit time-domain method (ETDM). The equivalent linear system and the corresponding statistical moments of responses at a specific time instant are first obtained through a series of stochastic response analyses of the linearized systems. Then the sensitivities of the statistical moments of responses are determined via a series of stochastic sensitivity analyses of the equivalent linear system at the corresponding time instant. The above two iterative procedures are facilitated at high efficiency using ETDM with explicit formulations of the statistical moments of responses and the sensitivities of the statistical moments. This process is repeated for different time instants, and the time histories of the statistical moments and their sensitivities can be obtained. The stochastic response and sensitivity results are further utilized to conduct the stochastic optimal parametric design of the nonlinear viscous dampers. A one-storey building model equipped with a nonlinear viscous damper is analyzed to demonstrate the accuracy of the proposed method, and a suspension bridge with a main span of 1200 m equipped with 4 nonlinear viscous dampers is further investigated to illustrate the feasibility of the proposed method for stochastic optimal design of large-scale structures.     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

基于微滑移模型的B-G型叶片干摩擦缘板阻尼器减振特性研究

在干摩擦接触面间引入弹性剪切层来模拟干摩擦接触,考虑摩擦接触界面在振动过程中可能经历完全粘滞、局部滑移、完全滑移三个阶段,提出一种改良的微滑移摩擦阻尼模型。在该阻尼模型基础上对摩擦力-位移迟滞曲线进行了仿真,得到了符合工程实际的迟滞曲线;分析了不同外力下接触面上的摩擦分布,揭示了微滑移模型的本质;利用一次谐波平衡与等效线性化相结合,研究多种参数对阻尼器等效刚度和等效阻尼及减振特性的影响,得到的减振规律为工程中该类阻尼器设计提供了指导。