基于微型永电磁式涡流阻尼TMD的人行桥模型减振试验研究

针对现有结构模型减振实验用调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)难以实现TMD刚度与阻尼参数完全分离、阻尼参数试验过程中无法保持恒定且难以调整问题,研制微型永磁式电涡流阻尼TMD。其性能试验与分析结果表明,微型TMD采用电涡流阻尼装置既能确保刚度与阻尼参数的有效分离,亦能实现阻尼参数稳定、简单易调。通过某大跨度人行桥模型一阶横向振动模态自由振动减振实验识别获得结构模态阻尼比及强迫振动减振实验识别获得结构模态阻尼比、结构动力响应放大倍数、结构与TMD运动相位差等,证实微型永磁式电涡流阻尼TMD用于结构模型减振实验的可行性与有效性。     

TMD控制高架轨道箱梁结构振动的模型试验研究

高架轨道桥梁结构的振动与噪声问题已成为制约轨道交通发展的重要因素,为研究调谐质量阻尼器(TMD)控制高架轨道箱梁桥振动的效果,以铁路32 m简支箱梁桥为原型,以10∶1为几何缩尺比,设计制作了轨道箱梁结构相似试验模型,并制作了可调谐TMD减振装置。在验证试验模型可靠性的基础上,分别附加控制1阶、2阶模态振动的TMD,通过对试验模型进行单点激振试验得到测点减振前后的振动响应,分析了TMD对箱梁桥的减振性能。研究结果表明:安装1阶、2阶TMD之前,在模态自振频率附近,振动响应出现了明显峰值;安装TMD之后,翼板和腹板的加速度有效值在模态频率附近得到了明显的抑制,并且激振频率越接近自振频率,TMD减振效果越好;当TMD质量比为0.02时的减振效果优于0.01。     

移动荷载作用下悬浮隧道管体TMD减振分析及优化布置

为减小悬浮隧道管体在移动荷载作用下的动力响应,采用TMD作为振动控制措施并对减振效果进行了分析。将悬浮隧道管体简化为弹性地基梁,采用移动简谐力模拟汽车荷载,通过Morison方程计算管体振动过程中的流体附加惯性效应和阻尼效应,推导建立了移动荷载作用下管体-TMD系统振动控制方程组。采用Newmark-β法进行数值求解,分析了TMD对悬浮隧道管体的减振效果。针对悬浮隧道管体振动特征,提出采用分布式TMD的布置形式,并对移动速度、TMD阻尼比的影响进行了讨论。结论表明：TMD对移动简谐荷载作用下的悬浮隧道管体具有显著减振效果,最大位移减振率在50%以上。由于多阶模态参与振动,单一TMD的有效减振范围有限。在保持总质量不变的情况下,采用分布式TMD可以获得较好的整体减振效果。提高TMD质量比和降低移动荷载速度有助于提高TMD的减振效果。增大阻尼比会减弱TMD的效果,应综合考虑减振效果和工作空间的要求确定。     

旋转惯质双调谐质量阻尼器的优化与风振控制研究

惯质是一种新型两节点单元,可产生远大于其物理质量的表观质量。将惯质单元与调谐质量阻尼器(TMD)相组合,系统研究了旋转惯质双调谐质量阻尼器(RIDTMD)的减振性能。首先,采用单自由度结构体系,对RIDTMD进行全参数H∞与H2优化,得到RIDTMD各结构参数最优值;然后,以某光热电站吸热塔为研究对象,采用最优的RIDTMD结构参数,研究了RIDTMD对该塔横风向与顺风向风致振动的控制效果,并与传统的TMD减振效果进行比较。研究结果表明:调谐质量相同的情况下,RIDTMD系统的减振效果比TMD更好;减振效果相同的情况下,RIDTMD的调谐质量比TMD的调谐质量最大可减小40%。     

用于含阻尼薄板结构减振的分布式动力吸振器的优化方法研究

动力吸振器用于结构减振时,其参数需要经过优化调谐才能获得最优的减振效果;目前,针对用于连续体结构减振的分布式(或多个)动力吸振器还没有很便捷的优化方法。研究了用于抑制含阻尼薄板结构基础模态振动的分布式动力吸振器的参数优化方法;利用模态叠加法建立了薄板与分布式动力吸振器的动力学方程,根据动力吸振器的振动特性推导得到了薄板基础模态与吸振器的简化二自由度运动方程,结合含阻尼的线性系统中动力吸振器最优调谐参数的求解方法,最终得到了分布式动力吸振器的解析优化公式。通过数值计算验证了优化公式的有效性;数值计算分析还表明优化公式对分布式动力吸振器抑制薄板结构的低频综合振动有很好的优化效果。     

单斜面索拱支承曲梁人行桥人致振动控制研究

进行了一种单斜面索拱支承曲梁人行桥的人致振动控制研究。在人行桥的初始状态及静动力特性基础上,模拟了随机人群荷载作用下人行桥的振动响应,参数化地研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)的减振作用,考虑了TMD不同质量比、刚度、阻尼参数以及布置方式的影响。在TMD装置安装前后对人行桥进行实地动力测试,测试了结构减振前后的模态特性以及在单人、多人和人群荷载工况下的振动响应,讨论了TMD装置对该类型人行桥的减振效果。结果表明:减振后结构关键模态阻尼增大为减振前的4.14倍;单人步行和跑动工况下,通过设置TMD,结构加速度峰值下降31.1%～55.9%,加速度均方根下降36.4%～52.0%;多种人群步行工况下,结构竖向加速度峰值最大为0.41 m/s~2。研究结果表明单斜面索拱支承曲梁人行桥刚度较柔,TMD对控制该类型人行桥结构人致振动具有很好的效果。     

TMD和ATMD组合系统对施工状态斜拉桥的风振减振研究

该文研究分布式TMD（tuned mass dampers）和ATMD（active tuned mass dampers）对斜拉桥抖振响应竖向减振的优化设计和减振效果,采用H∞控制理论设计分布式TMD和ATMD,并通过对竖向减振效果的评价实现控制方案优化。以处于施工状态的南京长江三桥为例,考虑自激力对气动刚度和阻尼的...     

机器扰力作用下某厂房楼板竖向振动与TMD减振研究

针对某厂房主次梁式楼板在机器扰力作用下的有害振动问题,首先综合现场振动实测与动力特性、动力响应有限元分析揭示了楼板竖向振动机理,然后以楼板结构模态等效阻尼比、竖向加速度减振率与TMD行程作为楼板减振性能指标,分别给出了单一频率扰力作用下工业厂房楼板减振用TMD的设计频率、安装位置确定原则,开展了TMD的质量比与阻尼比参数化分析,最后总结建立了TMD减振优化设计流程。结果表明:单一频率机器扰力作用下厂房楼板结构呈现典型的强迫振动特征,楼板主振动频率与扰力频率相等;TMD设计频率应取为机器扰力频率,TMD宜布置在机器扰力作用位置,TMD质量比和阻尼比参数需要结合减振性能指标优化确定。     

风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制

海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性,针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造,提出利用分布式调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers,TMDs）,即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD,形成等边三角形布置,对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果,基于拉格朗日方程和模态叠加法,对海上半潜漂浮式风机-TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。基于H∞算法,即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标,对分布式TMDs的参数进行优化设计,优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。对风机-TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟,分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。结果表明：最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能;在三种不同工况的随机风浪荷载作用下,分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。     

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。     

低密频太阳能帆板动力学参数在轨辨识和振动控制

太阳能帆板是典型的柔性空间结构,其固有频率低且密集,阻尼很小。为了抑制其振动,建立了基于动力学参数辨识的振动控制方法。该方法利用特征系统实现算法及其扩展算法如ERA/DC或OKID辨识结构的动力学参数,然后利用最优控制理论设计控制器。根据辨识和控制的方法以及适用的情况,提出了三种在轨辨识和控制集成方案,即ERA(ERA/DC)和LQR或LQG,OKID和LQG。对一具有低密频大型柔性空间站结构的数值仿真表明,上述在轨辨识和控制集成方案具有辨识速度快,辨识精度高,控制效果好等优点,适于柔性空间结构的在轨辨识和控制。     

智能桁架结构最优振动控制与作动器优化配置

研究了智能桁架结构最优振动控制和作动器的优化配置问题。首先采用有限元方法,根据Hamilton原理推导了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。然后通过对最优控制性能指标函数的修正,得到了与初始状态无关的性能指标,以修正的性能指标为目标函数,应用模拟退火算法对作动器位置进行了优化配置。最后给出了空间智能桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。算例结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果,而且通过模拟退火算法可以确定最佳的作动器布置方式。     

Enhanced multiobjective particle swarm optimization in combination with adaptive weighted gradient-based searching

This article proposes a new multiobjective optimization method for structural problems based on multiobjective particle swarm optimization (MOPSO). A gradient-based optimization method is combined with MOPSO to alleviate constraint-handling difficulties. In this method, a group of particles is divided into two groups—a dominated solution group and a non-dominated solution group. The gradient-based method, utilizing a weighting coefficient method, is applied to the latter to conduct local searching that yields superior non-dominated solutions. In order to enhance the efficiency of exploration in a multiple objective function space, the weighting coefficients are adaptively assigned considering the distribution of non-dominated solutions. A linear optimization problem is solved to determine the optimal weighting coefficients for each non-dominated solution at each iteration. Finally, numerical and structural optimization problems are solved by the proposed method to verify the optimization efficiency.     

双层隔振系统的主动最优控制

考虑力传递率和作动器输出力的大小,应用最优控制理论对双层隔振系统进行主动控制算法设计,确定系统加权矩阵同反馈矩阵之间的关系。求出基座受力与作动器输出力同外界激励力之间的传递函数,通过分析传递函数的幅值特性,得到加权函数中各元素对系统特性的影响,从而指导加权函数的选取以实现综合考虑多个性能目标的控制器最优化设计方法。     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

高层钢结构TMDs风振舒适度控制最优参数与简化设计

分别将脉动风视为白噪声和采用Davenport风速谱，基于建筑荷载规范GBJ9－87，导出了高层钢结构－TMD系统减振系数DRF1和DRF2。数值研究表明；高层钢结构的基本周期和基本风压不影响TMDs最优设计参数；将脉动风设为白噪声或采用Davenport风速谱时，TMDs最优设计参数未有改变，但减振系数略有变化。同时，基于导出的高层钢结构TMD－系列加速度传递函数及加速度动力放大系数，研究了TMDs最优参数取值。提出了高层钢结构TMD风振舒适度控制简化设计过程。数值算例说明了本文方法的应用及TMDs对高层钢结构风振舒适度控制的有效性。比较了基于位移和加速度设计的TMDs系统。     

负刚度吸振器对有限长弹性梁的抑振效果研究

考虑不同形式负刚度动力吸振器对有限长弹性简支梁动态响应的影响,提出并建立"弹性梁-负刚度动力吸振器"耦合系统动力学模型。基于模态叠加法,推导得到各阶模态对应幅频响应解析表达式。以弹性梁第1阶振动模态作为振动抑制目标,结合固定点理论和最大值最小化优化准则得到各类型动力吸振器的最优设计参数。以功率流作为振动控制效果的评价指标,建立"弹性梁-动力吸振器"耦合系统的导纳功率流理论模型。在此基础上,计算得到安装动力吸振器前后弹性梁的总功率流和净功率流,以及动力吸振器消耗的功率流,研究不同形式动力吸振器的振动抑制效果。最后,选择振动控制效果最显著的动力吸振器作为研究对象,针对部分主要设计参数展开研究。计算结果表明：在目标控制模态频率附近,负刚度动力吸振器对弹性梁动态响应的控制效果较好,且多个振动模态响应均被有效控制;当阻尼元件和负刚度元件同时接地对弹性梁动态响应的控制效果最佳;众多设计参数均存在最优值。     

自适应桁架结构局部力反馈振动控制及其主动构件的配置研究

本文主要研究利用自适应桁架结构自身的主动构件实现控制结构动态特性的理论和有效性以及主动构件的最优配置问题。首先，基于自适应桁架结构的有限元模型，将主动构件的弹性内力直接用于实现反馈控制桁架结构的振动特性；然后，引用模态耗散能因子和模态应变能因子的概念，研究了主动构件的优化配置问题。通过一平面自适应桁架结构的优化配置计算和数值仿真，说明了文中提出的控制方法和主动构件优化配置的有效性。