磁流变式调谐液柱阻尼器的两级双态半主动控制

磁流变式调谐液柱阻尼器（MR-TLCD）是由调谐液柱阻尼器（TLCD）和磁流变液阻尼器（MRD）组成的新型半主动控制装置。依据Lagrange方程建立了MR-TLCD与单自由度结构耦合动力方程,从耗能受力角度详细阐述了MR阻尼力、TLCD液体恢复力是阻尼力还是负阻尼力。基于MTALAB/Simulink工具箱,仿真分析了单自由度被控结构受风致振动时简单双态控制、离复位控制和两级双态控制三种半主动算法下的减振效果。结果表明提出的两级双态控制算法效果最优,离复位控制次之,简单双态控制也远好于被动控制效果。综合考虑MR-TLCD与被控结构组成的动力系统,两级双态控制最趋于稳定。三种控制算法均显示良好控制效果,且结构位移控制效果略好于结构加速度。     

调液阻尼器对偏心结构扭转耦联振动控制的试验研究

通过振动台试验来验证调液阻尼器对偏心结构扭转耦联振动反应的减振效果及理论分析的正确性。设计了一个二层的单向偏心钢结构模型,在结构的顶层放置一个调液柱型阻尼器（TLCD）和一个环形调液阻尼器（CTLCD）并对其参数进行优化设计,在振动台上,分别对结构无控时的反应和设置调液阻尼器后的反应进行试验研究。通过分析结构模型在地震波作用下的加速度和位移响应,结果表明,调液阻尼器能有效抑制结构的在地震作用下的扭转耦联振动,而且同时设置TLCD和CTLCD的减振效果要好于单独采用TLCD或CTLCD时的减振效果。     

动调频液柱阻尼器基于遗传算法的LQR控制优化设计

ATLCD由调频液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper,TLCD)发展而来,在TLCD液柱端部连接气压控制箱,通过引入控制气压对结构实施主动控制。采用被动TLCD优化设计方法设计阻尼比及频率比,采用LQR算法确定ATLCD系统的主动控制力,并对LQR算法中权矩阵采用遗传算法进行优化。以一五层钢框架结构为例,顶层装ATLCD用LQR算法进行主动控制,加载El-Centro地震波进行时程响应分析,比较无控结构及被、主动控制结构的时程响应结果表明,采用ATLCD的减振效果明显优于采用被动装置。     

内通道式磁流变阻尼器及其减振控制研究

研制了一种内通道式磁流变阻尼器,该阻尼器的流场通道位于电磁线圈内部,磁流变效应发生于两层固定的平板之间.对该阻尼器进行了MTS动态拉伸实验,结果表明具有良好动力学特性和响应时间.为了模拟动车的振动情况,搭建一个两自由度的弹簧质量实验平台系统,利用天棚控制算法,在该实验平台上进行减振实验研究,结果表明磁流变阻尼器在1 Hz～2Hz频率范围内有较好的减振效果.     

基于Hilbert谱的结构动力响应非线性特征分析

介绍了Hilbert-Huang变换的原理和波内调制的概念,对比了地震动作用下单自由度和多自由度结构的线性体系与三线性刚度退化体系绝对加速度响应的Hilbert幅值谱、能量谱,分析系统进入非线性力学状态的重要标志。结果表明:"频带展宽"和"优势频率漂移"是体系动力响应非线性力学行为的两个重要标志。线性体系加速度响应的能量集中在自振频率附近的窄小频带内;而三线性刚度退化体系由于波内调制的原因使Hilbert能量谱频带展宽。并且,能量谱的优势频率受体系屈服频率和开裂频率的影响向低频漂移。在短周期结构中,频带展宽和优势频率漂移较显著,而在长周期结构中表现不明显。     

采用环形TLCD的自立式钢管结构减振试验研究

近年来自立式钢管结构在动力作用荷载下的损伤和倒塌时有发生,调谐液柱阻尼器(Tuned Liquid Column Damper,TLCD)作为一种调频减振器,特别适用于高耸结构的振动控制。围绕环形TLCD在自立式钢管结构中的应用,介绍了环形TLCD的构造,并推导其力学模型,进而建立了自立式钢管结构环形TLCD减振的动力方程。根据自立式钢管结构试验模型设计了试验用的环形TLCD,并确定了加载与测试方案。针对自立式钢管结构,提出了基于模拟退火算法的模型修正方法,并以底部转动刚度和刚度修正系数为变量,以前3阶实测频率为目标,进行了算例研究,修正后的数值模型频率最大误差仅为1.74%。开展了环形TLCD减振试验,并结合修正后的数值模型对试验结果进行了比较分析。研究表明,试验中采用的环形TLCD能够使自立式钢管结构等效阻尼比由0.013 4增加到0.026 7,从而有效减小了结构动力响应,且所编制的程序能够一定程度预测该类减振结构体系的动力响应。相应的数值分析方法与模型试验能够为自立式钢管结构环形TLCD的设计与应用提供参考。     

水平两自由度组合结构体系的变刚度控制

可变刚度系统应用于单体结构能够取得显著的振动控制效果。本文提出了组合结构体系的变刚度半主动结构振动控制，并通过对水平两自由度组合结构体系的变刚度吸能释能控制系统的研究，揭示了水平组合结构体系变刚度振动控制的机理。分析表明，采用这种变刚度半主动控制，能够使组合结构体系在地震作用下的动力反应得到有效的控制。     

一种局域共振型角式声子晶体梁

局域共振型声子晶体梁具有纵向振动带隙和横向振动带隙,一般而言,前者频率范围很窄而且衰减量极小,后者频率范围很宽并且衰减很强,二者往往不在同一频带,因此很难满足同一频带内的多维减振要求。针对这一问题,为充分利用横向振动带隙的宽频带强衰减特性,提出了一种局域共振型角式声子晶体梁,采用传递矩阵法进行了理论分析和数值求解,并进一步在有限元软件中做了仿真验证,结果表明该角梁能够通过纵波与横波的转换,使得三个自由度上的振动均能在同一频带内得到有效的衰减,从而一方面满足了工程上的多维减振需求,另一方面也拓展了声子晶体减振应用场合。     

轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动特性分析

采用改进傅里叶级数展开建立了轴向载荷条件下弹性边界约束梁结构振动分析模型。通过在梁结构两端引入平动和旋转位移约束弹簧,相应设置约束弹簧刚度系数可以实现对任意边界条件及其组合的模拟。梁结构振动系统位移场采用傅里叶级数附加边界光滑函数进行构建,利用能量原理建立轴向载荷作用下梁结构总动能、总势能和外力做功项,并结合瑞利-里兹步骤获得系统特征矩阵方程。通过数值算例,验证了该模型对不同边界条件、轴向载荷作用下梁结构振动特性分析的正确性与可靠性。在此基础上,研究了边界约束弹簧横向刚度、旋转刚度、轴向载荷等系统参数及激振力对梁结构振动特性的影响。该模型具有高效、高精度等特点,为研究轴向载荷作用下复杂边界条件梁结构振动行为提供了有效分析手段。     

拉索-双弹簧系统的自由振动特性分析

辅助索减振措施是常见的拉索减振方法之一,但拉索-辅助索的减振机理尚不清楚,优化设计方法尚未建立。该文将辅助索对拉索的刚度贡献简化为弹簧对拉索的支撑作用,进行了附加两根弹簧的拉索自由振动特性分析。由位移的连续条件和力的平衡条件建立了拉索-双弹簧系统的频率方程;由一阶泰勒展开得到了当弹簧安装位置靠近拉索锚固端时频率方程的近似解。以弹簧刚度为零时对应的拉索自由振动频率和弹簧刚度趋向于极限时拉索振动频率极限值为基础,讨论分析了不同安装位置和不同弹簧刚度下拉索低阶振动模态的特点,得到了其振动模态分布随弹簧安装位置和刚度变化的内在规律;研究结果可供辅助索减振优化设计参考。     

Nonlinear vibration control of a tall structure with tuned liquid column damper

The nonlinear vibration model of a structure with the tuned liquid column damper (TLCD) is established. TLCD is a successful structure control device. The damping of TLCD is amplitude-dependent and consequently nonlinear. Due to its complexity, the effective linear model is considered for investigating structure characteristics in almost all literatures. Moreover, the structure is usually modeled as a single degree of freedom model. However, the analytical solution for this nonlinear system is derived here. Further, it is found that the optimum design of TLCD for the suppression of vibration depends greatly on the structure parameters.     

Stochastic optimal control of wind-excited tall buildings using semi-active MR-TLCDs

A new semi-active control device, magneto-rheological tuned liquid column damper (MR-TLCD), has been devised recently by the authors for mitigation of wind-induced vibration response of tall building structures. The developed device combines the benefits of magneto-rheological smart materials and tuned liquid column dampers. In this paper, real-time semi-active vibration control of tall building structures incorporating nonlinear MR-TLCDs under random wind excitation is studied by means of the statistical linearization method and the optimal linear quadratic (LQ) control strategy. The equations of motion of a tall building structure subjected to random wind loading and controlled by using MR-TLCDs at the top floor are first derived and represented in modal coordinate. After linearizing the uncontrollable part of MR-TLCD damping force and incorporating it with structural components, the classical linear quadratic (LQ) control strategy is applied to the linearized structural system to determine optimal control force of the MR-TLCDs. Clipping treatment is performed to ensure the commanded control force implementable by the MR-TLCDs. Wind-excited response of the semi-actively controlled structural system is evaluated by using the frequency-response function and then compared with that of the passively controlled structure to determine the control efficacy. A case study of a 50-story building structure is conducted to illustrate excellent control efficacy of the proposed semi-active MR-TLCD control system.     

磁流变式调谐液柱阻尼器的离复位控制

提出了抑制水平振动的磁流变式调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)模型,建立了单自由度结构——MR-TLCD的耦合运动方程。从系统动力方程出发,根据离复位控制策略,确定了MR-TLCD与单自由度结构相互作用过程中的合理阻尼大小。数值计算中,利用谐波叠加法模拟风荷载作用于该系统,并通过调节MR-TLCD的电压进行实时控制。仿真结果说明了在离复位控制策略下,MR-TLCD用于结构风振控制的合理性和有效性,是理想的半主动控制装置。     

悬吊TMD对高柔结构风振反应的半主动控制

通过南京电视塔这个工程实例，系统地介绍了悬吊ＴＭＤ（ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）对高柔结构脉动风振反应半主动控制的基本原理和设计计算方法。文中，在建立悬吊ＴＭＤ和结构受控响应运动方程的基础上，应用随机振动和等价线性化的方法得到了ＴＭＤ装置中环型质量ＭＴ，弹簧刚度ＫＴ和阻尼器参数ＣＴ的求取方法。同时，根据可调阻尼器所产生的半主动阻尼力应尽量接近最优主动控制力的原理，得到了可调阻尼器阀门阻尼系数的调整公式。依据上述结果，在设计了悬吊ＴＭＤ参数的基础上，对悬吊ＴＭＤ对南京电视塔的风振控制进行了计算机模拟。结果表明，悬吊ＴＭＤ对高柔电视塔风振反应的半主动控制有很好的效果，它使太空舱的风振加速度响应减小了３８％。     

改进的Bang-Bang控制算法的理论与试验研究

将电压的切换时间作为可调参数,提出了基于位移反馈的改进的Bang-Bang控制算法。建立了磁流变阻尼器对拉索减振的半主动控制的有限元模型以及基于dSPACE、MATLAB/Simulink和磁流变阻尼器等工具的半主动控制试验平台,从有限元数值仿真和试验实测两方面分析了改进的Bang-Bang控制算法和最优被动控制对拉索减振效果的影响。理论计算和试验实测结果都表明改进的Bang-Bang控制对拉索的减振效果优于最优被动控制,同样优于经典的Bang-Bang控制算法;半主动控制时阻尼器输入电压的切换时间对拉索系统的减振效果至关重要。     

调液阻尼器对偏心结构扭转耦联振动控制的研究

该文利用调液阻尼器来控制偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动。首先建立起控制体系的运动方程及时域内的求解方法。以一个8层偏心钢结构为算例,在结构顶层沿两个主轴方向正交放置两个调液柱型阻尼器,并在结构质心处安放一个环形调液阻尼器。基于该文给出的优化目标函数和遗传优化算法,对调液阻尼器的参数进行优化设计。最后对结构输入不同场地类型的地震波,在时域内分析调液阻尼器对结构扭转耦联振动的减振作用。分析结果表明:合理设计调液阻尼器的有关参数,能使其有效控制结构的平-扭耦联振动。     

基于磁流变阻尼器的汽车悬架控制研究

研究了1/4车辆模型的半主动控制问题,采用一种改进的Bingham模型来描述磁流变阻尼力,研究了系统参数在共振域附近对振幅的影响,最后对比了采用该模型的磁流变阻尼器的被动控制、半主动开关控制以及采用传统阻尼器的被动控制在频域上的隔振效果,结果表明半主动非线性开关控制弥补了非线性被动控制的不足,使得系统在共振区和高频区上都有较好的隔振效果。     

液体质量双调谐阻尼器（TLMD）的设计方法研究

基于结构动力学和流体力学原理,对液体质量双调谐阻尼器(TLMD)的减振机理和计算公式作了推导,归纳了TLMD的设计方法。在此基础上,结合调谐质量阻尼器(TMD)的有限元模型,以及单自由度体系在给定初位移的自由振动试验,检验了TLMD设计方法的可行性与准确性。试验结果表明TLMD减振效果的试验值与模拟值吻合较好,且近似为调谐液体阻尼器(TLD)和TMD的叠加,整个设计过程较为简便。最后以30层钢框架结构的地震响应控制为例,演示了应用TLMD减震的设计过程。