垂度阻尼索的设计及对结构减振的试验研究

高耸结构在地震、强风或其它激励的作用下易发生大幅振动甚至倒塌,由于缺少阻尼器理想的安装位置,目前直接采用阻尼器对结构进行减振的效果并不理想。垂度阻尼索利用高耸结构与地面之间的相对位移,经过放大后驱动阻尼器进行耗能减振,是阻尼器对高耸结构减振的新尝试。为了研究垂度阻尼索对高耸结构的减振性能,首先制作了黏性阻尼系数可调节的电涡流阻尼器,并通过试验结果获得其黏性阻尼系数与磁铁数量的关系;然后采用主索、电涡流阻尼器和复位弹簧制作垂度阻尼索,并对模型结构进行了减振试验。研究结果表明:垂度阻尼索对高耸结构减振的效果随主索垂度减小而增大,随阻尼器黏性系数增大而增大,为结构提供的附加阻尼比可达30%以上,远大于现有减振措施所能提供的附加阻尼比。     

新型装配式竖向电涡流TMD试验研究

针对城市大跨度钢结构人行天桥的减振需求,研制了一种结构紧凑、装配简单的新型装配式竖向永磁式电涡流TMD样机,综合TMD样机阻尼参数测试与电涡流阻尼磁场有限元分析结果提出了电涡流阻尼的初步设计方法与磁路优化布置。结果表明:新型TMD具有优良的阻尼特性、耐久性,且易于装配,工程应用可行性强。研究得到了用于竖向TMD的电涡流阻尼磁路优选构造:导体铜板两侧的矩形永磁铁宜采用同侧极性相同、不同侧极性相反的布置方式;永磁铁宜以水平单排布置为主,间距控制在永磁铁边长的一半以内;永磁铁必须安装2排或多排时,上下2排间距不宜小于永磁铁边长。     

磁致负刚度电涡流惯质阻尼器力学性能试验与仿真

为提升传统阻尼器的耗能减振效率,融合磁致负刚度单元、旋转式电涡流阻尼单元与滚珠丝杠两节点惯质单元,发展与研制了一种新型三元被动减振装置-磁致负刚度电涡流惯质阻尼器(magnetic negative stiffness eddy-current inertia damper, MNSEID)。首先阐明了MNSEID的整体构造、工作原理及力学模型;然后综合理论分析、三维电磁场有限元仿真与样机力学性能试验,获得了MNSEID的轴向出力特征,建立了磁致负刚度的精准计算分析方法;最后验证分析了MNSEID力学模型的适用性。结果表明：MNSEID的磁致负刚度系数随激振频率的增大基本保持不变,而等效电涡流阻尼系数随激振频率的增大呈现下降趋势;不同于现有位移相关型负刚度阻尼器,MNSEID表现出“准恒定”磁致负刚度特征。     

竖向TMD用板式电涡流阻尼器磁路对比分析

为提升竖向TMD用板式电涡流阻尼器(PECD)的耗能效率,分别开展了典型竖向电涡流TMD样机的阻尼性能测试与有限元仿真分析,基于相邻永磁体有效耦合率性能指标,采用三维电磁场有限元分析方法分别优化了外置式与内置式PECD的磁路设计,并对比分析了各磁路的耗能效率、耐久性与占用空间等。研究结果表明:提出的相邻永磁体有效耦合率可以很好地表征永磁体相互作用对PECD等效阻尼系数的影响程度,有助于指导磁路优化设计;外置式与内置式PECD磁路优化设计方案在相邻永磁体磁极布置、水平与竖向适宜间距等方面均存在较大差别;各最优磁路永磁体用量一定时,内置式PECD的等效阻尼系数略低于外置式PECD(附加导磁钢板),但远高于外置式PECD(无导磁钢板);装配内置式PECD的竖向TMD结构相对紧凑,且耐久性也相对较高。     

板式电涡流阻尼器有限元仿真与参数优化

为了实现板式电涡流阻尼器的精确、高效和优化设计,首先以某一电涡流调谐质量阻尼器为计算模型,验证了采用三维电磁场有限元稳态分析方法计算板式电涡流阻尼器阻尼系数的准确性。利用三维磁场有限元稳态分析法,分析了板式电涡流阻尼器的各设计参数对阻尼比的影响。结果表明,三维磁场有限元稳态分析方法能够准确计算板式电涡流阻尼器的阻尼系数;导体板厚度、导磁钢板厚度、永磁体间距、空气间隙和永磁体的排列方式对板式电涡流阻尼器的阻尼性能影响显著,在设计中应综合考虑。     

管式电涡流阻尼力的精确测量及阻尼器优化设计

采用紫铜管与磁铁制作了管式电涡流阻尼器,并提出了一种电涡流阻尼器阻尼力的精细化测量方法,消除了摩擦力和惯性力的影响,获得了精确的电涡流阻尼力。研究了阻尼力与电涡流阻尼器中磁级厚度、磁级间距、铜管与磁铁的相对速度等参数的关系;研究结果表明:提出的阻尼力测量方法可以准确地获得磁铁与铜管相互作用的阻尼力时程;阻尼器的阻尼系数随磁级厚度、磁级数的增加而增大,随磁级间距的增大表现出先增大、后减小的趋势;电涡流阻尼器近似为理想的黏性阻尼器,并且其阻尼系数与磁级数也近似成正比。通过引入阻尼系数效率值作为评价指标,获得了管式电涡流阻尼器的磁级厚度和磁级间距的最优值,可为电涡流阻尼器的优化设计提供参考。     

输电线路防舞电涡流阻尼器参数优化试验研究EI北大核心CSCD

基于动力相似关系,以某1000 kV八分裂输电线路为工程原型,设计了输电导线-电涡流阻尼器系统的1∶17大比例缩尺试验模型。通过导线-阻尼器系统的自振试验测定系统的等效阻尼比,并对电涡流阻尼器的安装位置、刚度系数、阻尼系数以及导线初始张力等设计参数对系统等效阻尼比的影响进行了相关研究。为了验证由自振试验所确定的阻尼器最优参数下的真实防舞效果,在易舞风攻角下,对安装阻尼器前、后覆冰导线-阻尼器系统的线性化运动方程的特征值实部进行了计算,发现安装阻尼器将明显提高导线起舞风速;利用ANSYS软件对易舞风攻角下的导线舞动响应进行仿真模拟研究,安装阻尼器后覆冰导线不再激发舞动,防舞效果非常明显。试验表明:导线系统的一阶等效阻尼比将随着阻尼器阻尼系数的增大呈现先增大后减小的趋势,存在一个最优阻尼系数C_(opt),而阻尼器刚度的存在不利于阻尼器发挥减振效果;阻尼器的安装位置越靠近跨中,导线系统的一阶等效阻尼比提升越明显,阻尼器的减振效果越好;导线初始张力越大,导线系统的等效阻尼比的最大值(ξ_(max))也会相应提高。     

电涡流单摆式TMD阻尼特性的有限元分析

在高层及超高层建筑的抗风和抗震中,单摆式调谐质量阻尼器(PTMD)有着较为广泛的应用。传统的PTMD采用油阻尼器作为阻尼装置。然而,油阻尼器具有施工不便、耐久性差、阻尼难以调节等缺点,而且这还会给PTMD带来附加刚度,不利于PTMD的频率设计。在前人的研究成果基础上,利用电涡流阻尼代替油阻尼器,提出一种新型的电涡流单摆式TMD(EC-PTMD),并利用大型电磁场有限元分析软件Opera3D对其进行建模分析。对导体板厚度、导磁钢板厚度及其磁导间距进行了参数分析,结果表明:电涡流阻尼的大小随着导体板、导磁钢板厚度的增加基本呈非线性增长;随着磁导间距的增大,电涡流阻尼呈非线性减小。在用二次函数拟合磁导间距与有效电涡流阻尼系数间关系的基础上,提出一种有较强适用性的EC-PTMD的设计方法。     

基于电涡流阻尼器的数控加工振动抑制

弱刚性零件在数控加工中极易发生变形、让刀等现象,对加工质量及效率构成严重影响。基于电涡流阻尼器利用导体在恒定磁场中运动或者利用时变电磁场在导体上产生电涡流阻尼力,提出并设计适用于弱刚性结构件数控加工振动抑制的电涡流阻尼器结构;结合理论建模,提出四种设计方案并对其减振性能进行测试和比较。模态实验表明,四种阻尼器方案均能较好的对工件振动进行抑制,频响函数幅值最低下降55%;模态参数辨识表明,电涡流阻尼器可使系统阻尼增加70.73%,而对其余动力学参数的影响较小。切削实验表明,该电涡流阻尼器可增加工件临界稳定切深171%,减少切削加工振动信号58%以及降低表面粗糙度89.7%。     

多层板式电涡流阻尼器构型与磁路优化分析

为提升板式电涡流阻尼器(PECD)的耗能效率,对比分析了单层与多层PECD典型构型的紧凑性与材料利用率,发展与完善了多层PECD构型与磁路优化设计。基于某单排式多层PECD样机阻尼性能测试结果,校验了三维电磁场有限元稳态分析法预测PECD等效阻尼系数的精度;仿真分析获得了永磁体与导体铜板之间的磁场间隙、永磁体的固定材料、间距与布置方式等参数对多层PECD等效阻尼系数的影响规律,据此提出了多层PECD的优化构型与磁路。结果表明:与单层PECD相比,多层PECD耗能效率得到有效提升,结构也更为紧凑;磁场间隙及永磁体的固定材料、布置方式与间距等对PECD等效阻尼系数均有显著影响,其中磁场间隙、相邻永磁体磁极布置与间距等存在最优参数。多层PECD的优化构型与磁路为:磁场间隙宜尽可能减小;采用非导磁材料固定永磁体;同侧永磁体宜阵列布置;永磁体沿阻尼器运动方向磁极宜相反布置,间距取0.2倍永磁体同向尺寸;永磁体沿垂直于阻尼器运动方向磁极宜相同,且间距越小越好。     

高冲击载荷作用下平面式电涡流阻尼器特性数值模拟研究

为探究平面式电涡流阻尼器在冲击环境中的应用特点,开展了高冲击载荷作用下平面式电涡流阻尼器响应特性数值模拟研究。基于ANSYS Maxwell电磁学有限元软件建立平面式电涡流阻尼器二维数值仿真模型,分析了永磁体和磁靴结构尺寸、导电层和导磁层厚度以及气隙间距对电磁阻尼力的影响。研究结果表明:平面式电涡流阻尼器能够满足安全制动某型发射高冲击载荷,在高速阶段会出现阻尼削弱现象。当永磁体厚度由10 mm增加到50 mm时,磁阻尼力明显增加,且永磁体厚度为30 mm时其质量利用率将达到最大;有无导磁板对磁阻尼力的影响较大,但导磁板厚度超过2 mm后磁阻尼力趋于饱和;导电板厚度从0增加到0.6 mm时,磁阻尼力成比例增大,但当导体板厚度由0.8 mm增加到2 mm时,高速阶段的磁阻尼削弱现象明显增大;研究结果可以为平面式电涡流阻尼在冲击环境中的进一步应用提供支撑。     

多层堆叠式永磁动力减振刀杆设计与仿真分析EI北大核心CSCD

针对大长径比刀杆中传统动力减振器的橡胶疲劳老化、阻尼液易泄露、刚度和阻尼难以精准设计等问题,设计了一种利用磁刚度和电涡流阻尼提供刚度和阻尼的多层堆叠式永磁动力减振器,实现了刚度和阻尼的独立精准设计。独特的堆叠式结构可以在相同体积下提供更大的磁刚度和电涡流阻尼,保证多层堆叠式永磁动力减振器达到最优减振条件。分别建立了多层堆叠式永磁动力减振器中磁刚度和电涡流阻尼的理论计算模型,并利用MATLAB软件和Maxwell电磁仿真软件分别探究了磁刚度和电涡流阻尼与多层堆叠式永磁动力减振器各部分尺寸参数之间的关系。最后利用MATLAB软件分别对安装多层堆叠式永磁动力减振器的刀杆和等尺寸实心刀杆进行仿真分析。结果表明,安装多层堆叠式永磁动力减振器后刀杆的频响函数幅值最大值下降91.1%。     

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。     

剪切阀式磁流变阻尼器动态特性实验研究

介绍了剪切阀式磁流变阻尼器的结构和工作原理,基于平板模型得出了其阻尼力的计算公式。对自行研制的剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力、电流、位移、速度和频率等动态特性进行了实验研究。结果表明剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼力随控制电流的增大呈非线性增加,阻尼力可调系数随电流变化连续可调。在相同振幅下,阻尼器的可调倍数随频率增大而降低,阻尼力随振动频率的增大而增大。通过深入分析该型阻尼器的动力特性,为其在车辆悬挂系统半主动控制中的应用奠定了基础。     

磁性液体阻尼减振器的实验研究

针对要求结构紧凑和能量耗散较小的场合,提出一种新的磁性液体阻尼减振器。这种减振器利用了磁性液体的独特性质,依靠液体的粘性阻尼耗散能量,是一种新型的吸振装置。利用基于弹性悬臂梁的减振实验,研究多种实验参数对这种减振器加于悬臂梁后减振效果的影响。实验结果表明,磁性液体阻尼减振器在实验中所有频率上对悬臂梁的振动都具有减振作用,而且同一减振器在小于1Hz的振动频率范围内减振效果最好;实验中同种结构参数的减振器当使用饱和磁化强度为27.01kA/m的磁性液体时达到了最好的减振效果;此外,磁性液体阻尼减振器对弹性悬臂梁的减振作用分别随着其中永磁体半径和永磁体孔半径的增大而增大,而且永磁体与外壳间有一最佳间隙,使其在其它参数相同时对悬臂梁的减振作用达到最大。     

齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器的拉索减振机理研究

针对一种新型的齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器,利用归一化的复模态方法,讨论了该新型阻尼器的自身性能参数和耗能性能;建立了考虑垂度的拉索-惯质粘滞阻尼器振动体系,用归一化的方法研究了惯质系数和阻尼系数对拉索模态阻尼比的影响。模型试验与数值计算的分析表明：由负刚度产生的位移放大效应使惯质粘滞阻尼器具有良好的拉索减振效果;在考虑单阶振动时,为达到较高的单阶模态阻尼比,不同阶次所需惯质系数与阻尼系数有所不同;在惯质系数为优化值时,惯质粘滞阻尼器能够同时使得相邻的两阶振动的模态阻尼比达到最大。     

颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器的设计与实验

石化企业中缓冲罐、管道、压力容器及换热器等圆筒形设备普遍存在振动。采用低元化模型和等效质量辨识法,对调谐质量阻尼器在此类连续系统中的振动控制机理进行研究,设计一种便于安装的新型颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器。理论推导阻尼器环向对称布置弹簧的综合刚度,测量颗粒碰撞阻尼系数,得到了最优调谐参数的阻尼器。运用MATLAB对不同阻尼比的阻尼器减振特性进行仿真,并设计悬臂钢结构圆筒模型作为振动控制对象。对结构1阶模态频率附近的振动控制情况进行实验,对比有无颗粒阻尼下的减振效果差异。结果表明,设计的颗粒碰撞阻尼器能够有效抑制圆筒设备各方向振动,且减振频带大幅度拓宽。这种环形设计思想和颗粒碰撞阻尼可以对调谐质量阻尼器提供更大的应用空间。     

Application of Elastic Stiffness Damper with Disc Spring to Numerical Control Punch

The paper aims to analyze the impacts of punch damper stiffness on equipment base and vibration,and introduce the development and application of a disc spring damper featured hard-soft-hard variable stiffness. A damper has four damping columns with C-type disc springs whose laminates plate number gradually increases set by set. Compared with its counterparts,this kind of dampers has the advantages of high energy absorption and vibration damping effect,which not only can effectively reduce the vibration of the foundation of punch press,but also prevents the vibration range from increasing. Also,this kind of dampers is of low cost and convenient to use.     

基于形状记忆合金的X形板阻尼器的力学模型

根据超弹性形状记忆合金（SMA）的分段线性化本构关系,建立了X形SMA板式阻尼器的力学模型;通过MATLAB程序进行数值模拟,绘制了X形SMA板的阻尼力滞回曲线,并研究了位移幅值、温度、形状尺寸对阻尼器基本特征参数（等效割线刚度、单位循环消耗的能量、等效阻尼比）的影响。结果表明：X形SMA板式阻尼器具有“旗帜”形的滞回曲线,耗能较小,但复位能力好;随位移幅值增加,耗能力和等效阻尼比增加,等效割线刚度降低,温度的影响与此相反;阻尼器的特征参数随板高增加均呈降低趋势;增加板宽,单位循环耗能与等效割线刚度增加,而等效阻尼比不变。研究结果为X形SMA板式阻尼器的设计和工程应用提供了理论依据。