抑制海上浮式风力机振动的TMD限位策略研究

调谐质量阻尼器(TMD)能有效抑制海上浮式风力机的振动响应。风浪作用下,TMD将产生较大的振幅,和风机结构发生碰撞,严重影响风机结构安全,故必须对TMD进行限位设计。针对此问题,在Barge式风力机机舱中配置TMD,提出了3种TMD限位策略:阻尼限位策略、刚度限位策略及联合限位策略。采用拉格朗日方程,建立TMD行程受限的海上浮式风力机3自由度动力学模型,研究了不同限位策略下TMD的抑振效果。结果表明:采用联合限位策略,可以避免单一限位策略的缺陷,此时,TMD最大行程为7.85 m,对塔顶纵向位移和平台纵摇角标准差的抑制率分别为40.01%和61.78%。     

覆冰多分裂导线三种TMD防舞效果对比研究

在风洞试验验证的覆冰导线三自由度运动方程基础上建立了竖向、扭转向和竖扭耦合调谐质量阻尼器和导线系统的运动方程。提出采用扭转向和竖扭耦合的调谐质量阻尼器进行舞动防治,并与竖向调谐质量阻尼器进行对比。根据李雅普诺夫第一稳定定理计算导线-阻尼器系统起舞风速,采用Newmark-β法求解运动方程验证起舞风速的正确性。计算了D形覆冰6分裂导线全攻角舞动幅值,以舞动幅值最大的170°风攻角为目标风攻角,以提高目标风攻角起舞风速为优化目标,对三种调谐质量阻尼器进行参数优化,并对比研究了不同风攻角下三种阻尼器在最优参数下对于导线起舞风速提高的效果。研究表明:竖向调谐质量阻尼器在覆冰侧迎风的5°～20°风攻角下降低了起舞风速;扭转向调谐质量阻尼器使得覆冰侧迎风的0°～40°风攻角的导线起舞风速提高至10 m/s以上;竖扭耦合的调谐质量阻尼器较另外两种形式的调谐质量阻尼器具有更好的提高起舞风速的效果。     

考虑人-结构相互作用的楼盖振动控制研究

探讨了采用多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统对楼盖考虑和不考虑人-结构相互作用时的振动控制。每个静止的人和调谐质量阻尼器(TMD)都作为单自由度动力系统附加在楼盖控制模态上,得出了人-楼盖-MTMD系统耦合振动方程,通过对该方程的傅里叶变换和静力缩聚法,得到了以无量纲参数表示的楼盖加速度响应。运用遗传算法,以楼盖的加速度响应最小为条件对MTMD系统进行优化,得出了对应不同MTMD系统质量比和楼盖阻尼比的无量纲设计参数(频率比和阻尼比)。通过对不考虑和考虑人-楼盖相互作用的楼盖减振控制效果进行对比,提出了考虑人-楼盖相互作用的楼盖MTMD系统的设计建议。另外,对MTMD系统由于楼盖模态质量、自振频率以及MTMD阻尼的变化所导致的去谐效应进行了讨论。最后总结了考虑去谐效应的MTMD系统的设计方法。     

基于摩擦阻尼器的高耸电视塔结构风振反应被动控制

本文研究了高耸电视塔结构基于被动摩擦阻尼器的风致振动控制问题。文中建立了电视塔结构的三维有限元模型和二维等效动力分析模型。随后建立了电视塔结构的受控运动方程和风荷载模拟方法。在此基础上以合肥电视塔为背景,进行了结构风振反应控制分析和相应的参数研究。分析表明,被动摩擦阻尼器可有效地抑制结构的风振反应。通过合理地选取阻尼器参数,可以获得满意的减振效果。     

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。     

基于MRD的水轮发电机组轴系非线性振动控制

考虑多种非线性因素作用下,将磁流变液阻尼器(MRD)引入水轮发电机组非线性振动模型中,建立了基于磁流变液的机组非线性动力模型,研究磁流变液对水轮发电机组轴系振动的影响。通过与传统机组非线性模型进行对比研究,结果表明,使用MRD阻尼被动控制,能够明显改善水轮发电机组系统的动力响应。MRD可以在机组系统周期运动时减小其振幅和速度响应,而不改变其运动形式;并能够抑制某些过渡工况下转速升高后出现的复杂拟周期运动,并减小其振幅波动。     

非线性阻尼变刚度半主动结构振动控制

提出了具有非线性阻尼器的可变刚度系统及其半主动振动控制理论与方法，通过对５层钢框架试验模型的仿真计算，分析了非线性阻尼变化对结构振动响应的影响。分析结果表明：所提出的半主动控制系统能够有效地减小结构的振动反应。     

超音速弹翼非线性颤振分析与控制

摘　要：研究超音速弹翼非线性气动弹性稳定性与主动控制问题。采用三阶活塞理论建立含间隙弹翼非线性气动弹性动力学方程,分别利用Hopf分岔理论及数值方法给出系统的线性与非线性颤振速度,应用基于微分几何法及二次型最优控制相结合的方法,设计非线性系统控制器。最后分析控制器及系统参数对控制效果的影响。仿真结果表明设计的控制器可有效地实现对非线性系统颤振的抑制。     

高耸电视塔结构的空间风振响应与优化控制

本文根据电视塔结构具有旋转壳外形的特点，提出一种环状半主动可控调频质量阻尼器（ＴＭＤ）系统；并以旋转壳理论编制了有限元程序，对ＴＭＤ系统的安装位置、数量及其振动参数进行了优化计算。优化计算结果表明，可控ＴＭＤ系统具有显著的减振效果     

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.     

一种应用调谐减振网球拍的分析

著作[1]中已有论述的调谐原理(TMD)是动力消振器技术的基础,近30年已广泛用于建筑、结构、桥梁等各个方面的抗风振和抗地震。现在调谐技术又用在网球拍上。为此对网球拍的弯曲自由振动进行测试,得到一阶固有频率,再用传递函数和相干函数分析,确信这个数据是可信的,最后对网球拍减振球的振动方程进行分析,得到减振球系统的固有频率与一些参数的定性关系。     

随机地震作用下TMD等效附加阻尼比研究

针对随机地震作用下TMD给结构提供的附加阻尼比展开研究。随机地震动采用过滤白噪声Kanai-Tajimi功率谱模型,并将Kanai-Tajimi功率谱模型描述的场地过滤效应表示成传递函数形式,进而推导出结构相对于基岩的位移动力放大系数。然后,结合SRSS方法,以结构位移响应均方值作为评价准则,提出了随机地震作用下TMD提供给结构任意阶模态的等效附加阻尼比理论公式。最后,以某景观塔作为工程算例展示了TMD等效附加阻尼比的求解流程,并验证了该等效附加阻尼比公式的有效性。算例分析结果表明,使用等效附加阻尼比指标来评估TMD减震性能是合理有效的,且使用推导的TMD等效附加阻尼比理论公式能更准确地评估TMD对结构位移响应的控制效果。     

智能TMD对高层建筑风振响应的抑制

将传统的TMD与磁流变阻尼器相结合，设计了用于高层建筑抗风的新型智能TMD。采用修正的Bingham模型来描述磁流变阻尼器的力学性能。根据滑模控制(SMC)算法，研究了如何用智能TMD半主动控制系统对高层建筑的风响应进行抑制以及当控制系统的输出反馈状态受限时的控制方法。本文算例表明，当半主动控制策略一样时，最优控制和滑模控制两种控制算法的控制效果相差不大；当结构参数出现不确定和反馈状态受限时，本文提出的智能TMD控制系统的风控效果仍然良好。     

某超高层建筑TMD风振控制分析

某超高层建筑总高度492m，风致振动将控制结构的荷载和舒适度。为减小风振响应，提高结构舒适度，拟在第90层设置两个相同调频质量阻尼器。将该超高层建筑简化为14质点多自由度体系，利用高频天平实验结果，在时域内计算了结构在受控与不受控情况下的风振响应，分析了调频质量阻尼器的控制效果，给出了设计方案。     

带限位TMD的抗风动力可靠度研究

摘要：针对实际高层高耸结构在设置TMD控制装置时,存在空间位置有限、TMD行程受限的问题,进行了带限位TMD的抗风动力可靠度研究。首先,采用虚拟激励法计算复杂高耸结构—TMD体系在脉动风荷载下的随机风振响应;然后,基于随机振动的首次超越破坏准则,研究TMD装置在容许行程范围内不同重现期风荷载下的动力可靠度。并以国内在建的第一高塔-广州新电视塔为工程算例,验证了该研究在实际设计中所具有的重大工程意义。     

变摩擦TMD特性和简谐激励控制效果的研究

提出一种变正压力式变摩擦装置,通过改变摩擦面正压力实现摩擦力随系统位移增大而增大。将其用于TMD能有效克服常摩擦TMD摩擦力不可变的缺点。采用一阶谐波平衡法推导了变摩擦系统的等效阻尼比和等效频率,分析了系统各参数对其等效阻尼比和等效频率的影响,通过与经典阻尼单自由度系统的比较探讨了单自由度变摩擦系统的频率响应特性。从理论和试验两个方面研究了简谐激励下变摩擦TMD对单自由度主结构振动控制的特点。分析结果表明,变摩擦TMD的频率响应特性与经典阻尼TMD类似,二者都能有效减小主结构频率响应曲线的峰值,试验结果验证了变摩擦TMD在简谐激励下的有效性     

Optimization Design of TMD for Vibration Suppression of Offshore Floating Wind Turbine

In order to suppress the responses of the large vibration displacements and loads of the offshore floating wind turbine under the harsh marine environment,an effect method for restraining vibration,putting tuned mass dampers( TMD) in the cabin of wind turbine,is proposed in this paper.A dynamics model for offshore floating wind turbine with a fore-aft TMD is established based on Lagrange equation; Parameter identification of the wind turbine is performed by the non-linear least squares Levenberg-Marquardt( LM) algorithm; Parameter optimization of the TMD is researched when considering the standard deviation of the tower top longitudinal displacements as the objective function.Aiming at five typical combined wind and wave load cases under normal running state of the wind turbine,the dynamic responses of the wind turbine with / without TMD are simulated and the suppression effect of the TMD is investigated.The results show that:there exists the optimum TMD mass ratio1.8% when the damped free vibration of the wind turbine,and the standard deviation of the tower top longitudinal displacements is decreased 60% in 100 seconds by the optimized TMD.The standard deviation suppression rates of the longitudinal displacements and loads about the tower and blades increase with the increasing TMD mass ratio when the wind turbine vibration under the combined wind and wave load cases,and when the mass ratio changes from 0.5% to 2%,the maximum suppression rates are from 20% to 50%,which effectively reduce the vibration responses of the wind turbine.The research results of this paper preliminarily verify the feasibilities of using TMD for restraining vibration of the offshore floating wind turbine.     

考虑裂纹表面摩擦阻尼的振动疲劳裂纹扩展分析

以含表面裂纹悬臂梁为研究对象,研究了裂纹面摩擦效应对裂纹疲劳扩展的影响。分析时,用双线性弹簧描述裂纹呼吸行为,用Galerkin方法把呼吸裂纹梁简化为单自由度系统,基于Coulomb摩擦模型和能量耗散理论推导了摩擦阻尼损耗因子,运用广义的Forman方程模拟疲劳裂纹扩展,通过振动分析与裂纹扩展计算同步进行的方法考虑振动与疲劳的耦合效应,探讨了摩擦阻尼对裂纹梁疲劳裂纹扩展寿命的影响。结论表明,摩擦阻尼损耗因子随裂纹扩展呈单调递增趋势,摩擦阻尼对振动疲劳裂纹扩展的影响不容忽视     

大跨越输电塔-线体系的平面内塔-线耦合效应与TMD减震控制研究

建立了典型的大跨越输电塔-线体系的有限元模型,分析了独立塔和大跨越塔-线耦合体系的动力特性,基于"模态组"概念,通过两者动力特性的对比研究了大跨越输电塔-线体系的塔-线耦合效应,结果表明塔-线耦合效应对大跨越输电塔动力特性有较大影响。分别基于独立塔和塔-线耦合体系的动力特性对两个调谐质量阻尼器(tunedmass damper,TMD)的参数进行了优化,对两个TMD方案在地震动激励下的减震控制效果进行了对比。结果表明,大跨越塔-线耦合体系与独立塔的动力特性存在很大差异,在大跨越输电塔-线体系TMD减震控制中考虑塔-线耦合效应,能够更好地发挥TMD振动控制的作用。     

带TMD结构随机地震响应分析的复模态法

本文对多自由度带TMD结构的随机地震响应问题进行了系统研究。首先将结构简化成多层剪切型模型。然后建立运动方程，根据结构的振动反应以第一振型为主，将结构按第一振型展开，针对所得方程为非经典阻尼，非对称质量和非对称刚度情况，运用复模态理论进行解耦，获得了以第一振型表示的结构地震响应的解析解，对单自由度体系，此解即为结构响应的精确解，从而建立了两自由度体系在任意非经典阻尼，非对称质量和刚度情况下随机地震响应解析解分析的一般方法。本文方法也可用于基础隔震结构和无损伤“加层减震”加固结构的随机地震响应分析与优化设计。