新型非对称惯容NES减震控制性能研究EI北大核心CSCD

为提高控制装置的减震性能及减小附加阻尼器的质量,基于非对称非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)提出一种附加惯容器的新型控制装置——非对称惯容NES。根据非对称惯容NES系统的工作原理推导出运动方程;在脉冲型荷载作用下进行控制参数数值优化,分析非对称惯容NES的能量鲁棒性和频率鲁棒性。分析地震作用下结构与控制装置响应,研究主体结构刚度变化前后的控制性能。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,从能量的角度研究控制装置的减振机理。研究结果表明,非对称惯容NES具有极强的能量鲁棒性和频率鲁棒性,在地震作用过程中能有效减小顶层加速度峰值且所需行程更小,能在更广频域内与主体结构发生共振,因而其减震效率更高。非对称惯容NES减震控制性能与已有的非对称NES相当甚至更优,并能够减小40%阻尼器质量,在实际应用中具有更广阔的前景。     

非线性-线性联合结构控制方法减震性能研究

调谐质量阻尼器(TMD)是一种有效的结构控制方法,但其频率鲁棒性较差;非线性能量阱(NES)减振性能受频率变化的影响较小,但对输入能量大小较敏感。提出了单质量联合阻尼器和双质量联合阻尼器——集NES的频率鲁棒性和TMD的能量鲁棒性优势于一体的两类结构控制方法。以两类非线性-线性联合控制装置的运动方程为基础,建立了两自由度主体结构使用不同控制方法的数值模型,并在脉冲型荷载作用下对单质量和双质量联合阻尼器的控制参数进行了优化。结果表明,非线性-线性联合控制方法具有与NES和TMD相近的减振性能和较高的频率鲁棒性和能量鲁棒性,且通过脉冲型荷载优化得到的控制装置能够有效减小结构地震响应,相较完全非线性和完全线性的方法,非线性-线性联合控制方法具有更强的减震鲁棒性。     

非对称非线性质量阻尼器试验研究及鲁棒性分析

提出一种新型控制装置——非对称非线性能量阱(非对称NES),以解决调谐质量阻尼器(TMD)对主体结构频率敏感和非线性能量阱(NES)对能量输入敏感的问题。非对称NES以一型NES为基础,将非线性弹簧拉离初始位置,加入线性弹簧与之平衡,所得恢复力具有线性和非线性的综合特点。在某缩尺3层钢框架结构上附加非对称NES进行试验,在脉冲型荷载作用下分析两类受控主体结构的结构响应。并使用经试验验证的数值模型,在某6层主体结构上分别附加非对称NES、TMD和一型NES进行数值研究,对比脉冲型荷载和地震作用下的结构响应。分析结果表明,非对称NES控制性能优越,兼备频率鲁棒性和能量鲁棒性,在输入能量和主体结构频率改变时均展现出良好的控制效果。     

地震作用下填充墙MTMD减震结构频域响应分析

将传统结构中填充墙与主体承重结构以刚度及阻尼元件连接,形成调谐质量减震（TMD）系统,通过在主结构中布置多榀TMD填充墙,构成多重质量调谐减震（MTMD）结构体系。为研究地震作用下该减震结构动力响应规律,合理设置各TMD与主结构连接件的力学参数,将主结构简化为串联多自由度模型,分析非耦合控制作用时主结构稳态响应频域传递函数及影响因素,并通过结构1/3比例模型振动台试验进行验证。结果表明,仅在三层设置填充墙TMD时,各层柱顶幅频响应曲线呈双峰特征,加速度峰值越小,填充墙TMD的调频作用越显著;而在二、三层同时设置填充墙TMD,输入地震波加速度峰值不同时,TMD调频作用亦不同。因此,填充墙TMD频域响应与T摘 要：将传统结构中填充墙与主体承重结构以刚度及阻尼元件连接,形成调谐质量减震（TMD）系统,通过在主结构中布置多榀TMD填充墙,构成多重质量调谐减震（MTMD）结构体系。为研究地震作用下该减震结构动力响应规律,合理设置各TMD与主结构连接件的力学参数,将主结构简化为串联多自由度模型,分析非耦合控制作用时主结构稳态响应频域传递函数及影响因素,并通过结构1/3比例模型振动台试验进行验证。结果表明,仅在三层设置填充墙TMD时,各层柱顶幅频响应曲线呈双峰特征,加速度峰值越小,填充墙TMD的调频作用越显著;而在二、三层同时设置填充墙TMD,输入地震波加速度峰值不同时,TMD调频作用亦不同。因此,填充墙TMD频域响应与TMD布置方式及输入地震波加速度幅值有关,结构系统调频控制作用会受输入地震波加速度峰值影响。     

单边碰振轨道非线性能量阱减震性能及碰撞参数研究

轨道非线性能量阱(轨道NES)是一种被动结构控制装置,其通过附加质量块沿竖直平面内的轨道运动产生非线性回复力,从而降低主体结构响应。单边碰振轨道非线性能量阱(SSVI轨道NES)在原轨道NES中加设制动装置,通过碰撞限制质量块单方向的运动,使对称连续的轨道变得单边不连续;SSVI轨道NES较轨道NES非线性更强,展现出更优越的抗冲击性能;对一个两自由度主体结构附加SSVI轨道NES进行了理论分析、数值优化和试验验证,优化后的SSVI轨道NES在脉冲型荷载作用下具备良好的抗冲击性能,但地震作用下的模拟结果显示其减震性能仍有待改进;为此,对SSVI轨道NES碰撞恢复系数和制动器位置进行了二次优化和分析。结果表明:通过调整SSVI轨道NES碰撞恢复系数和制动器位置可明显改善其减震性能;地震特性将影响控制装置参数的取值,可针对不同特性的地震选择相应设计参数。     

简谐激励下双调谐质量阻尼器基本特性研究

借鉴TMD和MTMD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,提出一种双调谐质量阻尼器(DTMD),建立了简谐激励作用下单自由度DTMD控制体系(DTMD-SDOF)的运动方程,推导其动力反应放大系数,提出了针对DTMD的调优策略及优化评价函数,并通过相关算法获得DTMD-SDOF系统的参数优化程序,并利用该程序得到了DTMD的最优参数;具体分析了不同参数对DTMD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DTMD的鲁棒性进行了评价;对DTMD与TMD、MTMD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,DTMD的控制效果明显优于TMD和MTMD,并且对主结构频率的摄动拥有更佳的鲁棒性。事实证明,DTMD比TMD和MTMD更具工程适用性。     

TMD-基础隔震混合控制体系在近场地震作用下的能量响应与减震效果分析

基于能量平衡原理对近场地震作用下TMD-基础隔震混合控制体系进行了能量响应分析,研究了不同脉冲周期地震作用下混合控制体系的减震效果。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,建立了TMD-基础隔震混合控制体系的运动方程和相对能量平衡方程。以某八层基础隔震结构为算例,运用四阶龙格-库塔法和梯形法分别对结构安装TMD前后的非线性地震响应和能量响应进行求解,分析了混合控制体系中输入能量的变化和耗散过程。分析结果表明：以隔震层峰值位移作为控制对象时,TMD的控制效果并不好;从能量的角度来看,TMD对主结构的输入能,特别是隔震层滞回耗能的控制非常有效,这是因为TMD的阻尼耗散了体系中的大部分输入能;不同脉冲周期地震作用下TMD的减震效果差别较大,对TMD最优参数进行求解时应考虑地震动特性的影响。     

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。     

基于频域分析方法的梁-TMDI系统的振动控制研究

采用调谐质量阻尼器惯性(tuned mass damper inerter, TMDI)对梁结构进行减振控制,推导了地震加速度激励下梁结构位移响应解析式和移动力作用下梁结构位移响应解析式。给出了梁-TMDI系统的最优参数,并进行参数敏感性分析,然后通过数值分析研究了TMDI系统的控制效果,并对比了TMDI系统与调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)系统的减振效果。研究结果表明:由频域法得到的梁结构振动位移响应谱能有效地反映梁结构位移响应;利用增广拉格朗日参数优化法可以准确地获得使梁结构振动响应最小的参数;TMDI系统的敏感性受惯性器控制,惯性器对其鲁棒性影响明显;TMDI系统减振性能明显优于常规TMD系统。     

地震作用下PTMD对JZ20-2MUQ型导管架式海洋平台的减振研究

研究了地震作用下黏弹性碰撞调谐阻尼器(PTMD)对JZ20-2MUQ型海洋平台结构的振动控制问题,并与传统的TMD做了对比。附加阻尼和间隙比是PTMD对JZ20-2MUQ型海洋平台结构减震是否有效的两个关键参数;设置合适的附加阻尼和间隙比的PTMD,能充分发挥高频激励下的碰撞减振优势,并且避免低频激励下对结构产生的"负作用";无论从位移还是加速度的角度,PTMD都大幅减轻了海洋平台结构的响应,且效果要优于TMD;PTMD对海洋平台控制的鲁棒性很好,同等控制要求下PTMD的其有效频率带宽约为TMD的2倍。PTMD的质量块位移被有效限制,最优PTMD质量块的位移比TMD极值下降了75.3%,而安装空间只有TMD的13.7%左右,可以满足JZ20-2MUQ型海洋平台结构的安装需求。     

高层结构附加轨道非线性能量阱减振性能研究

轨道非线性能量阱(Track Nonlinear Sink,轨道NES)是一类被动减振控制装置,通过附加质量块沿轨道运动提供非线性回复力,以达到降低主体结构响应的目的。对轨道NES的回复力和控制系统的运动方程进行了理论分析和公式推导。对附加于32自由度主体结构的轨道NES进行了参数优化,优化后的轨道NES减振性能良好,并对装置刚度的变化具有较高的鲁棒性,但对装置阻尼变化较敏感。基于此问题,提出了单边碰振轨道非线性能量阱(Single-sided Vibro-impact Track Nonlinear Energy Sink,SSVI轨道NES),并考察了SSVI轨道NES装置刚度和阻尼同时发生变化时的减振性能。结果表明SSVI轨道NES能够有效降低结构响应,并同时具有良好的NES刚度和阻尼鲁棒性。     

一种NES与TMD的混合控制方案研究

提出了一种非线性能量阱（NES）与调谐质量阻尼器（TMD）混合控制结构振动的方案,结合复变量平均法推得了慢变系统方程,并利用多尺度分析得到了理论能量预测方程。能量方程表明混合系统中主结构与非线性能量阱的能量呈三次方关系,而与调谐质量阻尼器的能量为线性关系。数值仿真表明混合系统中非线性能量阱可较快出现靶能量传递现象,而且整个系统具有较高的耗能效率;数值计算的能量分布曲线围绕理论能量预测曲线变动,证实了理论分析的正确性;混合系统具有良好的鲁棒性,不仅拓宽了频带,而且降低了对初始能量的敏感性。     

非线性能量阱振动抑制效果理论分析与试验研究

Aiming at eliminating the broadband line spectrum generated by the periodic rotation of submarine mechanical equipment, the vibration suppression effect was investigation and the structural parameter optimization of nonlinear energy sink (NES) were carried out under harmonic excitation. The dynamic model of mechanical equipment coupled with the nonlinear energy sink was established, and the periodic motion and stability of the coupled system were analyzed by incremental harmonic method, arc-length continuation method and Floquet theory. The influence of damping, mass ratio and stiffness on the vibration suppression effect of the nonlinear energy sink was discussed by taking the system vibration energy as evaluation criterion. Furthermore, the optimized damping and stiffness were obtained through local optimization algorithm, also the robustness of the vibration suppression effect was studied. The results show that the proposed method is in good agreement with Runge-Kutta numerical method, which can effectively construct the complete image of the coupled system periodic solution. Besides, weak damping is a prerequisite for a nonlinear energy sink to have good vibration suppression effect and robustness within a range of 20% of excitation frequency and of 50% amplitude after parameter optimization. A NES, parallel with vertical linear springs and constituted by flexible hinges under preloaded state, was proposed and related test research was also carried out to verify the theoretical findings.     

NES减震RC框架结构节点动力性能分析

为研究NES减震装置对钢筋混凝土框架结构节点抗震性能的影响,设计加工出一种NES新型减震器,进行了一个缩尺比为1∶4的五层钢筋混凝土框架结构模型振动台试验,对NES减震框架结构的1层和2层节点处钢筋应变、节点破坏模式、结构位移及结构自振频率在震害后的变化情况进行分析研究。试验结果表明:NES减震器可以有效降低钢筋混凝土梁柱纵筋箍筋应变以及减少结构的相对位移,减缓柱底和柱顶塑性铰的产生;节点处出现了梁端破坏和节点内剪切破坏,基本实现了框架“强柱弱梁”机制;NES减震器能够有效减少节点处混凝土的剪应力从而缓解节点混凝土的剪切破坏,整体结构最终破坏是由于柱底钢筋屈服,柱脚混凝土被压碎,与底板连接松动导致;设置NES减震器后结构自振频率下降速率降低,NES非线性减震器在降低结构地震响应,提高结构抗震能力、减轻结构震害损伤方面具有良好的控制效果。     

非线性能量阱刚度优化计算与振动台试验

Nonlinear energy sink (NES) was proposed and its main feature to mitigate vibrations in a broad frequency band range was explored here.Firstly,the expressions for the relation between frequency and energy under 1∶1 resonance were derived using the analytical method.According to the expressions,the frequency-energy plot was drawn.This plot intuitively revealed that when a NES is attached to a linear oscillator,its vibration frequency relative to the linear oscillator has a direct relation to the energy level of the system.Then,the formulas for the relationships among the stiffness of NES and energy,frequencies and modal shapes of linear oscillators were derived with the analytical method in the model space of a multi-DOF vibration system.The optimal solution to NES stiffness was calculated with these formulas under a certain energy level of the vibration system.Based on the optimal stiffness calculation method,the NES vibration control test was designed and the corresponding shaking table tests were conducted.To test the wide frequency vibration control features of NES,a set of springs with different stiffness were employed and dynamic properties of the controlled frame were changed through adding the mass of the frame.The test results demonstrated that NES has a good broad frequency band vibration control effect,it can work well even though its stiffness deviates from the optimal value or there are some changes in dynamic features of the controlled target.     

一类非线性不确定结构系统的鲁棒饱和主动控制

对一类非线性不确定结构系统研究了在外部干扰下的鲁棒饱和主动控制策略.将质量、阻尼、刚度矩阵都存在不确定的结构系统描述为一种不确定中立系统,采用鲁棒饱和主动控制策略,提出基于线性矩阵不等式的代数解.通过提出的控制方法同时保证了结构系统在模型和参数摄动下以及在控制变量和扰动存在非线性不确定性时的鲁棒稳定.最后通过对一个4层建筑大楼在地震波作用下的主动振动控制仿真证明了该方法的有效性.     

非线性悬吊质量摆对输电塔减振控制的研究

针对悬吊质量摆减控制研究中小摆角线性分析的局限性,本文提出考虑悬吊质量摆大摆角非线性特性来计算结构体系动力响应的方法,将传统分析中的悬吊质量摆的线性刚度修正为非线性。以一输电塔为例,通过线性和非线性计算结果对比可知,当摆角过大时线性计算方法不满足线性小摆角条件,而非线性计算方法则可很好模拟质量摆在大摆角下的响应。通过参数分析讨论了正弦激励周期、摆长及质量比对输电塔减震率的影响。选取三条不同场地地震记录,计算输电塔附加质量摆体系的地震响应,结果表明在不同场地条件下,输电塔均具有明显的减震效果。