高耸结构TMD接触非线性阻尼振动控制研究

调谐质量阻尼器（TMD）能有效的控制高层建筑结构的风致振动,而TMD子结构往往会产生过大的冲程,且由于荷载不确定性决定其冲程也是不可准确确定的,故必须要进行限位设计。鉴于此,提出了大阻尼TMD系统、开关阻尼限位控制和离位阻尼限位控制三种不同的限位策略,拟对TMD的限位控制进行研究。以广州新中轴线电视塔结构为分析模型,结合TMD系统在运动过程中的8个工作状态,给出了在考虑开关阻尼限位控制和离位阻尼限位控制两种限位控制策略下系统的运动方程,考虑风荷载激励,进行了数值仿真。数值分析的结果表明：不同限位间距时,两种限位工况对系统位移、加速度响应的峰值和均方值控制效果规律不尽相同;对于开关限位控制,当限位距离为TMD最优行程的36%时,在损失约4%的控制效果的前提下,TMD行程的限制效果约为45%;当TMD行程相同时,与大阻尼TMD系统相比,其控制效果要高出8%;离位限位控制对结构加速度峰值有更好的控制效果。恰当的选择限位距离和限位阻尼系数,既能显著地降低风致振动下结构的舒适度,又能有效调节TMD的振动控制效果和减小TMD的行程。     

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。     

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。     

风力机风轮低频振动特性的实验模态研究

利用国际上先进的PULSE16.1结构振动分析系统,对4个风力机风轮进行模态测试,发现风轮在挂机状态下,低频时存在轴向窜动效应和圆盘效应两种普遍存在的振动方式。振动发生时叶根处分别伴随着往复式和回转式剪切应力,影响到风力机的安全稳定运行和寿命。同时,利用挂机实验对比证明了通常采取的风轮通过夹具安装后在平面上进行模态实验的方法,对风轮振动特性的完整和准确获得均存在一定的影响。初探性分析,轴向窜动效应的产生因主要与塔架的弹性有关;圆盘效应的产生因主要与风轮的安装方式有关。本文相关研究成果有可能为很多风力机叶片在远短于设计寿命期频繁发生疲劳损伤事故的分析提供新的思路和理论支撑。     

叶顶吸气效应抑制叶片振动的研究

吸气可以改变叶片周围的气流特性,多用来控制叶片吸力面流动分离。将吸气应用于叶片减振,通过模型实验研究了吸气对叶片振动的影响,改变吸气位置和吸缝长度,测量了不同条件下的叶片振幅并作比较。数值模拟计算了不同位置、不同速度吸气对叶片周围流场的影响,重点分析了叶顶间隙气流速度的变化。数值计算在一定程度上解释了实验结论,二者所得的规律统一。最终结果表明:叶片正上方或上方偏来流侧吸气有明显减振效果,模型实验条件下,振幅最大降低了27%。     

海上浮式风机动力学仿真分析研究进展

海上浮式风机是向深远海获取风能的关键基础装备。由于其基础大幅度飘浮运动,且受到气动力、水动力及两者与结构产生的耦合作用,海上浮式风机的动力学特性复杂,研究其动力学有助于指导其设计、开发、运行和维护。从风机机身气动力学、飘浮基础水动力学、风浪流结构耦合动力学3个方面对近年来海上浮式风机动力学仿真分析的研究进展进行了综述分析,总结了目前该领域的研究成果和特点,指出了今后的研究趋势,以期为该领域的进一步研究提供参考。     

上海世博文化中心TMD减轻人致振动分析与实测研究

上海世博文化中心是2010上海世博会永久性场馆之一,其主体结构由沿环向的36榀悬臂长度不一的钢桁架和矩形钢管混凝土内框架组成。结构六层为悬挑钢结构楼盖,易引起人致振动问题。对采用调谐质量阻尼器(TMD)进行人致振动控制的上海世博文化中心进行了大量的计算分析和现场实测。结果表明结构各榀桁架的竖向共振频率处于2.5-3.0Hz之间;当人以2.0Hz的频率正常行走时,结构竖向振动较小,TMD基本无影响;而当人以结构竖向共振频率快速走动或奔跑时,TMD能有效减小结构的竖向振动响应,减振效率约为15%。这对长悬臂空间结构的舒适度问题和采用TMD进行人致振动控制问题的研究具有参考借鉴意义     

基于主动艉支承的推进轴系横向振动抑制仿真与实验研究

提出一种基于主动艉支承的推进轴系横向振动传递控制方法,以抑制水下航行器的低频声辐射。该方法将传统的艉轴承支承方式由面支承改为点支承,通过六个主动作动器抑制螺旋桨横向激励力经由艉轴承向壳体的传递。建立包含主动艉支承的螺旋桨-推进轴系-壳体耦合系统动力学模型,分析系统振动传递特性及控制策略可行性;结合自适应控制算法,计算螺旋桨横向激励下的振动传递抑制效果。构建包含主动艉支承的螺旋桨-推进轴系-壳体实验系统,进一步验证控制方法的有效性。仿真与实验结果均表明主动艉支承对于螺旋桨横向激励力经由艉轴承向壳体的传递具有明显抑制效果,可有效降低壳体表面法向振动。     

纵轴式掘进机振动特性研究

为研究纵轴式掘进机截割煤岩时的振动特性,对掘进机振动源进行分析,发现截齿在截割过程中受到的非线性瞬时冲击是造成掘进机振动的主要扰动源,通过建立复杂煤岩条件下截齿的力学模型,利用MATLAB编制了计算截割头瞬时载荷的模拟程序,模拟出横摆工况下截割头受到的冲击载荷,将其导入在协同仿真环境下建立的纵轴式掘进机刚柔耦合振动模型中,对其进行受迫振动分析,识别出系统的主要模态参数以及容易被激发的振型;分析其动态响应特性,确定了对整机振动影响较大的频率;同时对回转台进行谐响应分析,找出其薄弱环节。分析结果对研究纵轴式掘进机的振动特性和耐冲击、抗振能力的提高具有重要的参考价值。     

漂浮式风力机平台动态响应的优化方法探讨

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,分别提出平台附加螺旋侧板和平板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到了结构运动和波浪力的幅频特性。并通过与附加螺旋侧板和平板情况下的频域和时域动态特性参数对比,探讨两种措施是否对结构的运动性能起到提升作用。结果表明：附加螺旋侧板后,结构在垂荡和纵摇上的运动幅值均得到了明显抑制;附加平板可以有效降低结构的垂荡频域响应峰值,但对纵荡和纵摇影响很小;在考虑实际风、浪、流载荷作用时,两种措施都能起到对结构运动性能的优化作用,附加螺旋侧板的优化作用更为优越。     

漂浮式风电场的基础形式和发展趋势

阐述了海上风电场的分类,并对漂浮式风电场风电机组的浮式基础作了详细的介绍。随着风电开发技术的成熟,风机容量大型化、垂直轴风机的应用及建立非并网风电多元化应用系统将是以后漂浮式风电场发展的趋势。     

海上风机桩式基础结构形式综合模糊优选

针对海上风机基础设计中经常遇到复杂的方案优化选型问题,将多因素、多级模糊优选理论引入到基础的设计选型中。针对影响因素复杂、确定隶属函数主观因素较强的情况,成功引入因素的优先关系法来确定优选矩阵的隶属度,较好地解决了确定隶属函数的人为影响。通过此优选模型成功地将影响基础设计选型的13种主要因素和4种桩基基础设计形式进行了多级模糊综合优选决策,得到了比较理想的决策结果,为海上风机基础设计选型提供了新的思路。     

近海风力发电高塔波浪随机动力响应分析

基于拟层流风波生成机制建立的随机Fourier海浪模型,采用概率密度演化理论研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力响应问题,给出了结构响应概率密度函数的时间演化过程、概率密度等值线图及其均值和标准差.其中随机波浪力由线性波浪理论和M0rison公式计算.结果表明,概率密度演化方法可以获得结构波浪动力响应的时变概率密度函数和等概率密度响应轨迹.据此计算的均值及标准差与Monte Carlo计算结果吻合较好.     

Design optimization of ironless multi-stage axial-flux permanent magnet generators for offshore wind turbines

Direct-driven ironless-stator machines have been reported to have low requirements on the strength of the supporting structures. This feature is attractive for offshore wind turbines, where lightweight generators are preferred. However, to produce sufficient torque, ironless generators are normally designed with large diameters, which can be a challenge to the machine’s structural reliability. The ironless multi-stage axial-flux permanent magnet generator (MS-AFPMG) has the advantages of ironless machines but a relatively small diameter. The objective of this article is to present the design optimization and performance investigation of the ironless MS-AFPMG. An existing design strategy, which employs two- and three-dimensional static finite element analyses and genetic algorithm for machine optimization, is improved with the aim of reducing the calculation load and calculation time. This improved design strategy is used to investigate the optimal ironless MS-AFPMG. Some intrinsic features of this kind of machine are revealed.     

基于有限振动信号的某移动天线有限元风荷载动力反应分析

提出了一种现场实测的有限振动信号与结构有限元模型模拟分析相结合的方法来获得结构（天线）在实际风荷载作用下的动力反应,即首先测试结构在脉动风荷载作用下的有限振动信号,如：加速度时程和频谱曲线,然后通过结构运动方程模拟出脉动风荷载时程并施加到结构有限元模型中,通过有限元计算求出模拟风荷载与实际风荷载之间的修正系数k,最后把修正后的风荷载时程再次施加到有限元模型中进而得出结构在实际脉动风荷载作用下的内力。通过比较,有限元分析结果与试验结果吻合较好,为结构在脉动风荷载作用下的全过程反应分析提供了一种简便方法。     

力限控制在振动试验中的应用研究

传统航天器加速度响应控制振动试验是根据特定的加速度规范,控制振动台台面加速度,这种试验方法会在试件固有频率处产生过试验现象,力限振动试验可以有效地缓解这种过试验.本文基于简单二自由度模型给出了详细计算力限条件的方法,在此方法基础上,推导出了航天器试件支架与振动台台面间力谱和加速度谱,并对试件支架进行力限正弦振动试验和力限随机振动试验,实验结果表明：与传统加速度响应控制方法相比,基于简单二自由度模型力谱条件的力限振动控制试验能够更加真实模拟动力学环境,有效缓解振动过试验,可以为航天器振动试验提供很好的试验依据。     

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。     

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.     

TMD系统在自身参数随机偏离下的减振有效性和可靠性分析

调谐质量阻尼器（TMD）是一种工程中常用的减振装置,但TMD装置的刚度和阻尼系数偏离最优值时,其减振效率将大为降低。本文研究了TMD系统在自身参数偏离下的减振有效性和可靠性问题,提出了一种切合工程实际的TMD系统自身参数随机偏离模型。在此偏离模型下,利用蒙特卡洛方法分别研究了STMD系统和MTMD系统的减振有效性和可靠性,并对两种TMD系统的差异进行了对比和分析。结果表明,TMD系统的减振有效性和可靠性与TMD系统质量比、结构阻尼比、分布TMD个数、调谐频率个数等因素有密切相关。通过对大量数值计算结果的分析,给出增强TMD系统有效性和可靠性的一些有益建议。