颗粒调谐质量阻尼器减震控制的数值模拟

提出一种颗粒调谐质量阻尼器,即通过摆绳将颗粒阻尼器悬挂于主体结构上,将目前广泛应用的调谐质量阻尼器与减震效能优越的颗粒阻尼器结合起来,以扩大减振频带,增加减振鲁棒性。基于一定的等效原则将多颗粒阻尼器等效为单颗粒阻尼器,提出一种近似的颗粒调谐质量阻尼器数值模拟方法,并介绍了系统参数的取值方法。进行了附加颗粒调谐质量阻尼器的单自由度结构实际地震输入下的振动台试验,通过对比试验结果与数值模拟结果,发现两者吻合较好,说明该简化方法可以较好地模拟颗粒调谐质量阻尼器的减震控制效果。     

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。     

地震作用下相邻结构间阻尼器的优化参数研究

对地震作用下相邻结构间连接阻尼器的优化参数理论表达式的适用性作了详细的研究,分别为粘弹性阻尼器和粘滞流体阻尼器。共有两种减震控制目标,使主结构的平均相对振动能量最小和使两相邻结构的总平均相对振动能量最小。采用虚拟激励法,研究了小震作用下结构处于线弹性状态时阻尼器的优化参数取值,详细分析了结构模态阻尼比和场地条件的变化对阻尼器优化参数的影响;采用时域和频域分析方法,研究了强震作用下结构处于弹塑性状态时阻尼器的优化参数值,并与理论值进行了对比。结果表明,结构模态阻尼比和场地条件的变化对阻尼器的优化参数影响很小;结构处于弹塑性状态时阻尼器的优化参数值与结构处于线弹性状态的取值相差不大,均与理论值比较接近,该结论对于阻尼器的优化参数理论表达式的应用非常有利。     

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。     

基于多尺度方法的带颗粒阻尼悬臂梁自由振动半解析分析

被动式颗粒阻尼器原理简单、性能优越,广泛应用于结构减震领域。极端环境容易激起结构的高频振动,颗粒阻尼的非线性特性使得多模态振动的减振特性相互耦合。采用模态综合法分析自由端带集中质量块的悬臂梁、离散单元法模拟颗粒阻尼器中颗粒集的运动,基于多尺度分析的球-墙耦合模型建立了揭示结构多模态振动条件下颗粒阻尼减振机理的半解析分析模型。分析表明,颗粒阻尼器具有良好的减震效果,减振性能受结构振动模态影响很大。与单一模态振动减振性能相比,多阶模态振动同时存在时,低阶模态幅值的衰减出现了滞后,而高阶模态幅值的衰减则明显加快。因此,采用单一模态获得的等效阻尼比不足以表征复杂振动条件下颗粒阻尼器的减振性能。     

基于附加虚拟支座的结构损伤识别方法

本文针对土木工程中实测模态相对较少,很难进行大型结构的损伤识别的困难,提出附加虚拟支座的损伤识别方法。该方法利用约束子结构方法在结构上附加虚拟支座来增加结构形式的方法,增加识别模态的数量,从而实现结构的准确损伤识别。约束子结构方法的基本思想是通过响应的卷积组合为零将传感器转化为虚拟支座。将附加虚拟支座后的结构定义为虚拟结构,每个虚拟支座对应一个虚拟结构,那么在结构上不同位置附加虚拟支座,则可以获得多个虚拟结构的模态;联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速的识别出整体结构的损伤。最后通过三层空间框架模型验证方法的有效性。     

附加双线性油阻尼器斜拉索的阻尼特性研究

利用Galerkin法,得到附加双线性油阻尼器拉索的运动方程。通过Runge-Kutta-Felhberg(RKF)方法得到其自由振动衰减曲线,并基于能量损耗原理的方法计算出拉索的模态阻尼。分析了双线性油阻尼器的一次阻尼系数、二次阻尼系数和变换速度对拉索阻尼的影响。提出了基于一个周期内消耗能量相同的线性化等效设计计算方法,并与数值计算分析结果进行比较分析。研究结果表明双线性油阻尼器较线性阻尼器具有其独特的优点。     

基于磁流变阻尼器的结构模糊半主动控制实验研究

基于磁流变阻尼器的结构半主动控制兼有被动和主动控制的优点,近年来受到了广泛的关注,但设计与之相适应的控制系统仍是一项具有挑战性的工作。本文针对多输入多输出结构-阻尼器系统,提出了一种基于遗传算法的模糊控制器设计方法。由遗传算法自适应优化生成模糊控制规则,建立从加速度响应到磁流变阻尼器控制电压之间的关系,对结构进行半主动控制。通过两个结构振动控制实验,证明了该方法的有效性。     

垂度拉索-惯质阻尼器体系的减振分析

提出一种利用齿轮齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索用新型惯质阻尼器,给出了阻尼器各元件参数的理论设计方法,并指出了其耗能原理。利用理论推导结合数值计算的方法给出其单体耗能性能,建立了拉索-惯质阻尼器体系的平面内运动方程,使用复模态分析法,给出了考虑垂度拉索-惯质阻尼器体系的模态阻尼比计算公式。针对某实际拉索,使用无量纲化分析方法,给出了实索惯质阻尼器的设计参数及相应的拉索模态阻尼比。研究了同一惯质阻尼器参数对不同拉索振动模态的减振效果。结果表明,当有垂度拉索在惯质或阻尼增大时会趋近于本阶次的嵌固频率。针对某实际超长拉索,当目标减振模态阶数不太多时,经过惯质、黏滞阻尼及安装位置等多参数调谐之后,可获得优于现有黏滞阻尼器的广谱减振效果。     

TLCD-结构转化为TMD-结构减振控制的研究

该文针对平面对称结构和不对称结构,比较TLCD-结构体系和TMD-结构体系的耦联微分方程,得到TLCD-主结构与TMD-主结构质量比、频率比、主结构自振频率和主结构阻尼等,由此可将TLCD-结构体系转化为TMD-结构体系,利用DenHartog公式对TLCD阻尼比和频率比参数优化,并用有限元软件来对复杂结构减振控制进行数值计算。通过单层平面不对称结构和20层Bechmark模型放置单个或多个TLCD,用DenHartog公式求得TLCD参数,并用SAP2000进行结构分析,与MATLAB结果进行比较来验证该方法的合理性和可行性。     

人行桥的减振优化设计研究

振动舒适度是设计大跨轻质人行桥时需要解决的关键问题之一.采用调谐质量阻尼器(TMD),可以有效降低桥梁在行人激励下的振动反应.该文基于分布参数法,提出了单跨和多跨人行桥采用STMD 及MTMD 减振系统的动力反应通用时程计算方法.在此基础上,以均方根加速度作为衡量标准,研究了单跨和多跨梁式人行桥-TMD 系统中TMD 布置位置、系统最优频率比与最优阻尼比的优化取值和减振效果等问题,提出了相应的设计建议,并通过数值算例进行了验证.     

Special design of tuned liquid column-gas dampers for the control of spatial structural vibrations

The relevant low-frequency modes of plan-asymmetric tall buildings and those of bridges consist of coupled translational and torsional motions. We consider the locations of the modal centers of velocity of either the rigidly assumed floors or of the bridge cross-sections to be crucial for selecting the design and the “optimal” position of the liquid absorbers. Such a tuned liquid column-gas damper, TLCGD consists of a sealed rigid piping system that is partially filled with liquid (preferably water), whose dynamics can be derived using the nonstationary Bernoulli equation properly extended to account for the relative streamline in a moving reference system. Although both the construction and working principle of TLCGDs differ from tuned mass dampers (TMD), a geometric analogy exists between these absorber types. Consequently, in a first step modal tuning is performed by means of a transformation of the TMD optimal parameters, e.g., of the Den Hartog formulas, possibly followed in a second step by fine-tuning in state-space. Such a U- or V-shaped sealed liquid column-gas damper, i.e., with the gas-spring effect taken into account, is found suitable for applications in moderately plan-asymmetric buildings (the floors’ modal center of velocity falls outside of the floor plan) and for bridges with dominant horizontal vibrations. The novel design of a torsional sealed liquid column-gas damper, TTLCGD, turns out to have even higher efficiency in effectively damping strongly asymmetric buildings, where the floors’ modal centers of velocity lie inside of the floor plan: in that case of an alternative design, the mid-plane of the U-shaped TLCGD is bent to a cylindrical surface that might be “nearly closed” such that the trace in the floor becomes approximately a loop. For bridges with dominating vertical flexural vibrations, a novel pipe-in-pipe design of the VTLCGD provides the vertical control force rendering the additional efficient damping. The evident features of TLCGDs are no moving mechanical parts, cheap and easy implementation into civil engineering structures, simple modification of the natural frequency and even of the damping properties, low maintenance costs, little additional weight in those cases where a water reservoir is required, e.g., for the sake of fire fighting, and with a performance comparable to that of TMDs of the spring-mass- (or pendulum-)-dashpot type.     

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。     

基于TMD的风力发电机组降载设计方法

针对山西某风电场44#风电机组在水平垂直于传动链方向的突发性、间歇性振动而导致风电机组振动超限停机。设计了质量阻尼调谐装置(TMD)对风电机组进行减振,并对TMD减振装置的原理和设计流程进行了详细的介绍。同时,设计开发了TMD减振装置,成功应用于风电现场。应用结果表明:设计的质量阻尼调谐装置在机组满发工况下减振效果能达到40%以上,能够减轻风电机组机舱振动幅度,消除风电机组机舱振动故障,减少风电机组的故障停机时间。     

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%。     

Modal damping evaluation of hybrid FRP cable with smart dampers for long-span cable-stayed bridges

The paper presents a theoretical evaluation on modal damping of hybrid fiber reinforced polymer (FRP) cable with smart damper design in long-span cable-stayed bridge. The principles and design consideration of smart dampers were first clarified. Based on the energy principle, the theoretical equations of modal damping were derived for in-plane and out-of-plane vibrations, respectively. The parameters that influence the damping effect were further analyzed. Finally, an example of hybrid basalt and carbon FRP cable with smart dampers was selected to evaluate damping ratio in terms of the equations derived in the paper. The results show that (1) the smart dampers with discontinuous distribution benefit not only static and dynamic behavior of a cable but also optimization of damping; (2) the gap width, bonding, length and modulus of each smart damper can be optimized to obtain maximum of potential damping; (3) an example of smart damper designed hybrid FRP cable demonstrates its effectiveness for mitigating large magnitude of in-plane vibration, while more dominant damping effect is observed for suppressing out-of-plane vibration.     

人群简化模型与人行桥TMD参数设计研究

用两段连续弹性杆模拟静立人体,建立人群-人行桥-调谐质量阻尼器(TMD)振动系统。将静立人群简化建模为单个的广义人体,研究广义人体-人行桥-调谐质量阻尼器振动系统的动力特性及TMD参数设计。运用最小二乘原理确定广义人体的相关参数,通过与已有的实验数据对比,验证了将静立人群简化为广义人体模型的正确性。以均方根加速度作为人体舒适度的优化准则,分析了人行桥TMD的最优频率比和最优阻尼比。         

TMD 振动控制在登机廊桥上的应用研究

该文对上海浦东机场二期工程某登机廊桥的竖向振动舒适性及应用质量调谐阻尼器(TMD)进行振动控制进行了理论分析和试验研究。通过建立登机廊桥有限元模型,分析了登机廊桥的振动特性和步行激励下的振动响应,在数值模拟的基础上,选择合理的TMD 参数,并对安装TMD 前后的登机廊桥振动进行了现场测试和分析。结果表明按该文方法设置TMD 后,登机廊桥的竖向振动得到了有效的控制。     

Solving the damper placement problem via local search heuristics

The damper placement problem for large flexible space truss structures is to determine thep truss members of the structure to replace with active (or passive) dampers so that the modal damping ratio is as large as possible for all significant modes of vibration. Equivalently, given a strain energy matrix with rows indexed on the modes and columns indexed on the truss members we seek to find a set ofp columns such that the smallest row sum, over thep columns, is maximized. An extension of this model is formulated for the passive damper case. This formulation includes the frequency of maximum displacement as a decision variable for each passive damper. Each formulation can be written as a mixed 0/1 integer linear program. We compare the performance of tabu search and simulated annealing for the damper placement problem on a laboratory test article, the NASA Langley Controls-Structures Interaction Phase I Evolutionary Model (10 modes and 1507 truss members). Tabu search, coupled with the starting solution generated by rounding the solution to a linear programming relaxation, is shown to provide the highest quality solutions in the shortest amount of computing time.Research partially supported by an ASEE summer fellowship at NASA-LaRC and by a faculty research assignment award from The College of William and Mary