模型结构的压电摩擦阻尼减振控制试验研究

在压电摩擦阻尼器力学性能试验的基础上,对一安装有压电摩擦阻尼器的模型结构进行了地震模拟振动台试验研究。利用MATLAB/Simulink软件平台和dSPACE软硬件资源,建立了压电摩擦阻尼结构控制系统的仿真模型,采用快速控制原型技术对模型结构进行了地震反应振动台试验。通过振动台试验验证了地震作用下提出的压电摩擦阻尼器和以速度响应为输入的模糊控制方法调节阻尼器控制力的有效性。试验结果表明,提出的压电摩擦阻尼器能够根据结构的响应实时调整阻尼器的摩擦力,可以有效减小模型结构在地震作用下的位移反应和加速度反应。     

新型钢滚轴及混合隔震结构地震模拟振动台试验研究

针对一种新型钢滚轴隔震支座进行研究,分别设计制作了一组钢滚轴隔震支座和一组摩擦摆隔震支座,并完成了某两层钢框架的固结、纯滚轴隔震、滚轴+MR被动阻尼器混合隔震和摩擦摆隔震模型的振动台试验。研究了各模型在地震加速度峰值为0.10 g、0.20 g的3条地震波作用下的结构响应,试验结果表明:新型钢滚轴隔震支座的隔震效果优于摩擦摆隔震支座,纯滚轴隔震模型和滚轴+MR被动阻尼器的混合隔震模型均可降低结构加速度反应56.1%～80.8%,且合理的优化混合阻尼隔震体系的阻尼值可使隔震效果更佳。同时,采用MR阻尼器的混合隔震模型较纯滚轴隔震模型可降低隔震层位移反应58.7%～87.4%,且随着阻尼值的增大其控制效果更好。因此,将新型钢滚轴隔震支座与阻尼装置配套使用的方法有效可行,在充分发挥滚轴隔震支座隔震效果的同时避免了结构隔震层位移过大的问题。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

管式变摩擦阻尼器的减振性能试验与数值模拟

提出了一种具有变刚度特征的管式变摩擦阻尼器,该阻尼器的主要部件包括套筒和装于其内并可来回移动的摩擦环。摩擦环外径略大于套筒内径,当摩擦环装入套筒后将产生装配应力,因而当摩擦环左右移动时接触面上将产生摩擦力。变摩擦的功能是通过在套筒壁中摩擦环初始所在部位适当开缝的方式实现的。由于在套筒壁中部开了缝,在其初始状态阻尼器套筒对内环几乎没有约束应力,这样在非工作状态套筒对内环之间的摩擦力就很小了。研究表明,在结构中安装这类变摩擦阻尼器以后,可以使得系统具有半主动变刚度的特征：即在结构偏离平衡位置时,阻尼器的套筒提供越来越大的围束力,导致套筒和内部摩擦环之间产生越来越大的摩擦力,从而能阻止结构位移增加;在结构返回平衡时,阻尼器提供反向摩擦力,其幅值逐渐减小,使结构在复位过程中振动速度得到抑制。对此种被动变摩擦阻尼器的性能试验和有限元数值模拟都证明在工程结构中应用该阻尼器能够达到主动变刚度控制效果,装置非常简单,而变刚度控制系统则是需要计算机和伺服反馈阻尼器支持的。由于该阻尼器构造简单,出力大,价格低廉,能够适应各种结构和机械工程减振控制的需求,因此具有很好的推广应用前景。     

改进的Bang-Bang控制算法的理论与试验研究

将电压的切换时间作为可调参数,提出了基于位移反馈的改进的Bang-Bang控制算法。建立了磁流变阻尼器对拉索减振的半主动控制的有限元模型以及基于dSPACE、MATLAB/Simulink和磁流变阻尼器等工具的半主动控制试验平台,从有限元数值仿真和试验实测两方面分析了改进的Bang-Bang控制算法和最优被动控制对拉索减振效果的影响。理论计算和试验实测结果都表明改进的Bang-Bang控制对拉索的减振效果优于最优被动控制,同样优于经典的Bang-Bang控制算法;半主动控制时阻尼器输入电压的切换时间对拉索系统的减振效果至关重要。     

基于磁流变阻尼器的结构模糊半主动控制实验研究

基于磁流变阻尼器的结构半主动控制兼有被动和主动控制的优点,近年来受到了广泛的关注,但设计与之相适应的控制系统仍是一项具有挑战性的工作。本文针对多输入多输出结构-阻尼器系统,提出了一种基于遗传算法的模糊控制器设计方法。由遗传算法自适应优化生成模糊控制规则,建立从加速度响应到磁流变阻尼器控制电压之间的关系,对结构进行半主动控制。通过两个结构振动控制实验,证明了该方法的有效性。     

颗粒阻尼器布置方案对其减震效果影响研究

为明晰建筑结构用颗粒阻尼器布置方案对其减震控制效果的影响规律。以某1∶30比例缩尺钢筋混凝土框架结构为研究对象,设计制作了可用于缩尺模型的刚性连接颗粒阻尼器,结合建筑结构减震需求,对颗粒阻尼器的布置方案进行了设计,通过振动台试验研究了布置位置和阻尼器数量等参数对颗粒阻尼器减震控制效果的影响。结果表明:颗粒阻尼器布置位置处的结构均方根位移响应和峰值位移响应均有所降低,阻尼器减震控制效果良好;阻尼器布置位置对颗粒阻尼器减震控制效果影响显著,阻尼器宜布置于结构位移响应较大的位置,合理的阻尼器布置方案能够有效地控制结构的扭转响应;随附加颗粒阻尼器数量的增加,颗粒阻尼器对结构位移响应的减震控制效果提高,建筑结构可用附加质量比范围内,阻尼器布置数量越多,减震控制效果越好。     

磁流变阻尼器的性能试验与神经网络建模

磁流变阻尼器是一种新型的智能振动控制装置.通过磁流变阻尼器的性能试验,研究了在不同电流输入下阻尼力-位移、阻尼力-速度之间的关系,分析了摩擦型磁流变阻尼器的主要特点.采用BP神经网络,建立了磁流变阻尼器的正向模型和逆向模型.仿真结果显示,神经网络模型能准确地预测磁流变阻尼器的阻尼力和控制电流,证明该方法的有效性.与已有的模型相比,具有精度高,计算简便等特点.     

三维地震动作用下曲线连续梁桥减震控制研究

为了减少双支承曲线梁桥的地震破坏效应,提出了利用液体粘滞阻尼器进行曲线梁桥减震控制的方法,建立曲线连续梁桥的空间有限元模型和动力仿真模型,在桥梁墩台活动支座部位设置切向和径向液体粘滞减震装置,输入三维地震动计算分析了桥梁主动控制、半主动控制和被动控制三种减震方法的减震效果。结果表明,曲线梁桥的地震反应表现出显著的纵桥向与横桥向的耦合特性,在减震控制计算时必须同时输入三维地震动并设置纵横向减震装置。粘滞阻尼器能够控制曲线梁桥内外墩的内力趋于接近,三种减震控制方法均能有效地减小曲线梁桥的梁端位移和固定墩墩底内力,且三种方法的减震效果和地震反应时程的差别均相对较小,主动控制和半主动控制没有表现出明显的优越性,建议在实际曲线梁桥的抗震减震设计中应用粘滞阻尼器被动控制。     

基于磁流变阻尼器的高速机车横向半主动振动控制研究

摘 要：在分析磁流变阻尼器Bouc_Wen立方修正模型及高速机车振动特点基础上,提出应用磁流变阻尼器进行机车振动控制,建立了基于磁流变阻尼器的17自由度高速机车横向半主动模型。针对模型的非线性特征,在简单模糊控制规则基础上,提出根据控制效果实时修正磁流变阻尼器输入参数的自适应模糊控制策略。在MatLab环境中进行仿真,结果表明：与被动控制、简单模糊控制相比,自适应模糊控制能有效衰减机车横向振动;在低频阶段,尤其是对乘坐舒适度影响大的5~8HZ范围内能显著提高高速机车的平稳性和乘坐舒适性。     

磁控摩擦阻尼器对信号塔的地震反应控制

针对常摩擦阻尼器摩擦力恒定的问题,设计一种新型筒式磁控变摩擦阻尼器,并建立磁控变摩擦阻尼器的力学模型。以机场信号塔结构为工程背景,将信号塔的三维空间有限元模型简化为二维串联多自由度模型;采用LQG主动控制算法和界限Hrovat半主动控制策略对磁控变摩擦阻尼器实施控制;讨论常摩擦阻尼器被动控制和磁控摩擦阻尼器半主动控制对地震作用下信号塔结构振动响应的控制效果。计算结果显示,磁控摩擦阻尼器的半主动控制取得明显优于常摩擦阻尼器被动控制的减振效果,在实际工程中有着良好的应用前景。     

Simultaneous optimization of force and placement of friction dampers under seismic loading

It is known that the use of passive energy-dissipation devices, such as friction dampers, reduces considerably the dynamic response of a structure subjected to earthquake ground motions. Nevertheless, the parameters of each damper and the best placement of these devices remain difficult to determine. Some articles on optimum design of tuned mass dampers and viscous dampers have been published; however, there is a lack of studies on optimization of friction dampers. The main contribution of this article is to propose a methodology to simultaneously optimize the location of friction dampers and their friction forces in structures subjected to seismic loading, to achieve a desired level of reduction in the response. For this purpose, the recently developed backtracking search optimization algorithm (BSA) is employed, which can deal with optimization problems involving mixed discrete and continuous variables. For illustration purposes, two different structures are presented. The first is a six-storey shear building and the second is a transmission line tower. In both cases, the forces and positions of friction dampers are the design variables, while the objective functions are to minimize the interstorey drift for the first case and to minimize the maximum displacement at the top of the tower for the second example. The results show that the proposed method was able to reduce the interstorey drift of the shear building by more than 65% and the maximum displacement at the top of the tower by approximately 55%, with only three friction dampers. The proposed methodology is quite general and it could be recommended as an effective tool for optimum design of friction dampers for structural response control. Thus, this article shows that friction dampers can be designed in a safe and economic way.     

Mathematical Modeling of Evaporative Cooling of Water in a Mechanical-Draft Tower

A mathematical model of the operation of a mechanical-draft tower is proposed. The model represents a boundary-value problem for five differential equations and for the first time takes into account the following parameters: temperature of inflowing water, its discharge, mean radius of water droplets, mean air velocity inside the water-cooling tower, rate of fall of a droplet, height from which droplets fall, and meteorological conditions, including atmospheric pressure. The basic parameters of the water-cooling tower influencing its thermal efficiency have been revealed. The dissipation of the kinetic energy of the air flow due to the air friction against the surface of falling droplets has been taken into account.     

蛇形机器人伸缩运动性能研究

为研究蛇形机器人常用的典型步态——伸缩运动的性能与不同摩擦系数环境的关系,分别用单向被动轮和双向被动轮设计正交串联蛇形机器人地面接触机构。通过蛇形曲线公式控制蛇形机器人垂直关节节律实现伸缩运动。通过实验得出了摩擦系数对单向被动轮和双向被动轮接触面型蛇形机器人伸缩运动步态的影响及对应的蛇形曲线参数的调节策略。     

Experimental investigation of friction-base isolation

Structural vibration control is one of the main goals of civil engineers involved in the structural safety and reliability of buildings situated in regions susceptible to earthquakes. Friction-base isolators have been adopted as a means of passive control. The purpose of this experimental investigation is to measure the response statistics in the presence of base friction and other friction sources. The experimental model emulates a single-floor building supported on four leaf springs, subjected to band limited random excitation. Two different types of model base are considered, a friction base and a frictionless base. In both cases, friction can also be applied at two sides of the models main mass against the direction of its motion. Excitation and response transducer signals are processed to estimate excitation and response statistics in the presence and in the absence of top mass friction. Measured statistics include mean squares, autocorrelation functions, power spectra, and probability density functions. The dependence of the mean square response on the excitation level in the presence of friction reveals linear and nonlinear regimes, as well as a drift in the response due to dry friction. Above a certain excitation level the response-excitation relationship displays nonlinearity. A transition from narrow band to wide band response spectra is observed when friction is applied to the systems top mass. Analytical and Monte Carlo simulation results are compared with those measured experimentally based on a constant friction force.     

大跨飘浮体系斜拉桥减震控制研究

以一座大跨斜拉桥为实例,建立其有限元模型计算分析了主动控制、半主动控制和被动控制对飘浮体系斜拉桥的减震效果,并分析了地震行波效应对斜拉桥地震反应的影响。结果表明,不同频谱成分的地震动输入显著影响三种控制方法的减震效果;半主动控制对于该斜拉桥整体地震反应的控制效果优于始终提供最大阻尼力的被动控制;行波效应对该斜拉桥无控制和有控制地震反应的影响基本相同,并且行波效应对三种控制方法减震效果的不利影响很小。这为漂浮体系斜拉桥的减震控制提供了理论上的指导。     

变摩擦阻尼方法的建模与实验分析

考虑被动隔振系统自适应调整阻尼的技术措施,提出一种变摩擦阻尼方法;使隔振系统能近似地根据激振频率来改变自身阻尼,从而适应外界宽频激振。为了对此方法中的摩擦阻尼力建模,提出一种考虑了摩擦接触面间的相对速度与正压力影响的曲线摩擦模型。通过实验设计与研究,以参数辨识验证了此模型的拟合能力。     

输电塔动力特性计算与模态试验研究

输电塔是国家电网的重要组成部分,具有结构高、跨度大、柔性强等特点,对风荷载反应灵敏。建立能反映输电塔动态特性的模型对风致振动控制至关重要。为研究输电塔理论模型的准确程度,分别建立3种输电塔实验模型,包括多质点模型、梁单元有限元模型和梁-杆混合单元有限元模型,并对其进行模态分析;同时采用锤击法,以单点激励多点响应(SIMO)的测试方法对输电塔实验模型进行模态测试。将各方案与测试结果进行比较分析,结果表明:梁-杆混合模型的求解精度高于另外两种计算模型的精度,能较好模拟输电塔的动力特性,是最优的输电塔模拟方案。     

基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法

通过比较线性粘滞阻尼器和摩擦型阻尼器的耗能,发现斜拉索采用摩擦型阻尼器获得的最大附加阻尼高于相应的线性粘滞阻尼器,进而提出了基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法。该算法通过控制阻尼器位置处的拉索位移振幅来实时调节阻尼力,使其始终满足拉索-阻尼器系统的最优阻尼力幅值与最优阻尼器位移幅值的对应关系。按摩擦型阻尼器的方式耗能,系统获得的最大附加阻尼总是高于线性粘滞阻尼器的被动最优控制,且与振动频率无关,可以实现斜拉索的变频率多模态振动控制。最后,分别针对斜拉索的自由振动和简谐强迫振动进行了半主动控制算法的数值模拟,验证了其减振效果。