混合质量阻尼器在海上漂浮式风力机振动响应抑制中的应用

针对海上漂浮式风力机在风浪激励下产生较大振动响应的问题,采用混合质量阻尼器(Hybrid mass damper, HMD)主动控制系统抑制风力机的结构振动。基于拉格朗日能量方程建立Spar式风力机的气动-水动-结构-调谐质量阻尼器(Tunedmass damper, TMD)-HMD耦合动力学模型,并采用遗传算法优化TMD的刚度和阻尼系数;在机舱TMD上施加主动控制力,设计了变增益状态反馈H∞控制器,将控制器的求解问题转化为线性矩阵不等式的优化问题,从而得到最优主动控制力;研究了不同工况下HMD主动控制系统对风力机的减振效果。结果表明,相对于TMD被动控制系统,HMD主动控制系统能够进一步降低风力机的平台纵摇(Platform pitch, PFPI)运动和塔顶纵向(Tower top fore-aft, TTFA)挠度。     

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。     

具有调谐惯容阻尼器的建筑结构减震设计

为提升传统调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)应用的方便性,提出利用调谐惯容阻尼器(tuned inerter damper,简称TID)对结构进行减震控制,推导了基底白噪声激励下建筑结构的TID最优阻尼参数和最优刚度参数的解析式以及无阻尼的位移方差解析式。分析表明,TID最优参数与其安装的相邻楼层振型坐标差的平方有关,该值越大,控制效果越好。通过3个均匀结构和1个12层的非均匀结构模型分析表明:TID对中低层结构的控制效果较好,且对高阶振型控制优势明显;TID-TMD混合控制方案在地震作用下的控制效果更明显,优于TID,且总体上与多重TMD控制效果相近;TID-TMD仅需在顶层安装TMD,其余楼层安装TID,减少了多重TMD控制高阶振型带来的空间占据、安装不便、质量过大等问题。     

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TMD减振性能试验

为改善目前工程中应用的调谐质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)对频率敏感和频率难以调节的缺点,提出了一种自适应TMD,由可变质量块、弹簧、伺服控制系统、驱动系统和阻尼器组成。其中,伺服控制系统由一个加速度传感器和一块单片机电路板组成。在环境激励下,单片机电路板接收位于主结构上的加速度传感器传来的信号,利用短时傅里叶变换识别得到主结构的第1阶自振频率,并自发启动驱动装置改变TMD的质量,以调节TMD的频率与识别得到的主结构频率一致。通过人行桥模型试验验证了自适应TMD的可行性、可靠性和有效性。试验结果表明,自适应TMD能准确识别模型结构的竖向一阶自振频率,并通过调节质量重新调谐自身频率,与识别得到的频率相同。自由衰减振动试验和受迫振动试验表明,与启动调节前的失调TMD相比,启动调节后的谐调TMD能够提高模型结构的等效阻尼比,降低其加速度响应峰值和均方根值。     

考虑装置失效的高层建筑舒适度生命周期设计

鉴于个体对风致振动反应的不确定性及差异性,结合日本的AIJ(Aruitectural Institute of Japan,简称AIJ)标准,建立评价高层建筑风振舒适度性能水平的感振率模型,对基于可靠度理论的生命周期费用模型进行修正,并在模型中考虑了风振控制装置失效对结构舒适度性能的影响。利用修正模型对高层建筑调频质量阻尼器(tuned mass damper,简称TMD)、调频液柱阻尼器(tuned liguid column damper,简称TLCD)以及组合调谐阻尼器(combined tuned damper,简称CTD)安装与否进行投资决策。研究表明:考虑振动装置失效时结构1年内的感振率可达到不考虑装置失效时的1.4~3倍;基于修正模型进行各阻尼器方案比选时,CTD的减振效率和生命周期费用都介于TMD和TLCD之间,是个很有竞争力的选择。     

基于TMD-HMD的海上浮式风力机主被动综合振动控制

在恶劣的海洋环境中,随机风浪载荷使风机平台和塔顶产生较大的振动位移,严重威胁风机结构的安全性。为此提出TMD-HMD主被动综合控制方法对海上浮式风力机进行振动控制,在Spar式浮动风力机平台内放置多个调谐质量阻尼器,构成多重调谐质量阻尼器(Multiple tuned mass damper,MTMD),在机舱内放置一个调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)。首先基于欧拉-拉格朗日能量方程建立了风机系统11自由度空间动力学简化模型,利用Levenberg-Marquardt算法估计平台的刚度和阻尼参数,并通过与美国可再生实验室开发的FAST全耦合模型对比验证了模型的正确性;然后采用Van-Nguyen Dinh的方法优化了TMD的参数;接着在机舱TMD上施加主动控制力形成混合质量阻尼器(Hybrid mass damper,HMD),与平台TMD共同构成TMD-HMD综合振动控制系统,其中主动控制力通过线性二次型控制(Linear quadratic regulator,LQR)获得,LQR中的权重系数Q和R采用穷举法优化;最后在风浪联合载荷下分别研究了TMD被动控制和TMD-HMD主被动综合控制对风机动态响应的抑制效果。结果表明:与单独TMD被动控制相比,TMD-HMD主被动综合控制对风机平台纵摇角和塔顶纵向位移的抑制效果分别提高了约38%和20%,使其振动能量分别减少了72%和40%。     

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。     

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。     

偏心结构基于LMI的鲁棒H∞控制

针对传统线性二次型最优控制(linear quadratic optimal control,简称LQR)等主动控制方法存在鲁棒性较差的不足,提出一种新的基于线性矩阵不等式的鲁棒H∞控制方法。通过将工程中常用的二次型最优性能指标结合于鲁棒H∞控制系统的分析中,应用线性矩阵不等式减小求解的复杂度,使得控制器的设计较为简单,便于工程应用。考虑到实际中地震动的不确定性和结构的非对称性,以多层偏心结构作为研究对象,在结构顶层沿两个主轴方向正交设置两个主动质量阻尼器(active mass damper,简称AMD)控制装置来控制结构在水平双向地震动作用下的扭转耦联振动,其中AMD系统的主动控制力由鲁棒H∞控制算法获得仿真结果表明,该方法具有较好的控制效果和鲁棒性。     

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。     

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。     

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。     

半主动电流控制阻尼器的调谐减振性能研究

随着建筑高度不断增加,低频振动严重影响其安全运行。被动式阻尼器仅在调谐点处具有良好的减振效果,存在减振带宽较窄的问题,磁性液体为解决这个问题提供了新的途径。以磁性液体为工作液体,提出一种半主动调谐式电流控制阻尼器。首先,建立了阻尼器固有频率的理论模型,表明通过调节电流可改变固有频率。其次,搭建测试平台,进行了不同激励下阻尼器的调谐减振能力测试。结果表明半主动电流控制阻尼器的减振率为22%左右,调谐液体滚球阻尼器的减振率仅为12.3%左右,且调谐液体滚球阻尼器与主结构的频率比>1.11时,减振率将低于10%,半主动电流控制阻尼器则具有良好的鲁棒性,可以有效降低位移响应,弥补了被动式阻尼器减振带宽较窄的不足。     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

Barge平台漂浮式风力机动态响应及稳定性控制研究

将调谐质量阻尼器(TMD)配置于漂浮式风力机机舱或塔架可提高其整体稳定性,但加剧了塔基疲劳载荷.为此,在平台内部配置TMD进行减振控制,以ITI Barge平台为研究对象,建立漂浮式风力机动力学模型,研究塔顶前后和侧向位移随TMD质量、阻尼及安装位置的变化规律,采用多岛遗传算法求得最优TMD参数,对比分析风波载荷作用下无TMD控制、机舱TMD控制及平台TMD控制对漂浮式风力机动态响应特性的影响.结果 表明:塔顶前后和侧向位移随平台TMD参数变化较为显著,当位于相同位置处TMD质量和阻尼较大时,塔顶前后和侧向位移明显减小;平台TMD质量和阻尼不变时,塔顶前后和侧向位移随TMD位置升高逐渐减小.风波载荷作用下,TMD对漂浮式风力机动态响应控制效果较为明显,但各部位控制效果不同,塔顶侧向位移、平台横摇角及塔基横摇弯矩控制效果最为显著.此外,较之机舱TMD控制,平台TMD控制时漂浮式风力机稳定性更好.     

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。     

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。     

高耸闪蒸塔调谐质量阻尼减振技术的数值分析

针对高耸闪蒸塔在强风作用下振动响应过大的问题,将调谐质量阻尼器（TMD）减振技术应用到高耸闪蒸塔风振控制中,以保证设备运行安全并延长其使用寿命.通过Matlab数值模拟,研究了TMD安装后闪蒸塔顶端的风振能量减少率以及寻找最优参数.在此基础上,总结了能量减少率等值线图,可以通过协调二者的关系来解决TMD运行空间有限的难题.研究结果表明：TMD可以有效控制高耸闪蒸塔进行风振响应,在最优匹配参数下,TMD能够降低闪蒸塔的顶端振动能量约47.07％,为工程实际应用提供了一定参考.