单面碰撞调谐质量阻尼器减振性能分析与试验

碰撞式调谐质量阻尼器是一种通过碰撞消耗结构振动能量的新型减振装置,以设计悬臂式单面碰撞调谐质量阻尼器为目标,通过试验确定碰撞力模型参数;建立单自由度结构-碰撞调谐质量阻尼器系统运动方程,分析频率比对减振效果的影响;设计可改变固有频率的试验模型,开展减振试验。分析和试验结果表明,碰撞调谐质量阻尼器在优化频率比条件下具有良好的减振效果,当频率比偏离时,减振效果降低,但仍具有较好的减振效果,说明该阻尼器具有较好的控制鲁棒性。     

一种新型调谐质量阻尼器的试验研究

用填充颗粒群的盒子代替调谐质量阻尼器的质量块,形成一种新型调谐质量阻尼器。通过对比单自由度排架不附加、附加该新型调谐质量阻尼器的自由振动,白噪声激励以及实际地震输入下的振动台试验,考察了该新型阻尼器对结构的减振控制效果。试验研究表明:颗粒的填充率对振动衰减影响明显,表现出双峰值的曲线特征;颗粒质量对衰减率的影响不明显,实际工程可以采用轻质颗粒材料;输入地震波能量与衰减率呈抛物线形。试验还从振型特性方面表明采用调谐颗粒阻尼器有利于减轻结构振动响应。     

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。     

调谐双质阻尼器减振性能分析

由调谐质量阻尼器与惯质器组合形成的调谐双质阻尼器是一种新型减振装置。将惯质器简化为惯性质量和黏性阻尼器,建立单自由度结构-调谐双质阻尼器运动方程,研究调谐双质阻尼器的优化参数,分析自由振动和简谐激励下调谐双质阻尼器的减振效果。研究表明,调谐双质阻尼器具有比传统调谐质量阻尼器更好的减振效果。     

颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器的设计与实验

石化企业中缓冲罐、管道、压力容器及换热器等圆筒形设备普遍存在振动。采用低元化模型和等效质量辨识法,对调谐质量阻尼器在此类连续系统中的振动控制机理进行研究,设计一种便于安装的新型颗粒碰撞环形调谐质量阻尼器。理论推导阻尼器环向对称布置弹簧的综合刚度,测量颗粒碰撞阻尼系数,得到了最优调谐参数的阻尼器。运用MATLAB对不同阻尼比的阻尼器减振特性进行仿真,并设计悬臂钢结构圆筒模型作为振动控制对象。对结构1阶模态频率附近的振动控制情况进行实验,对比有无颗粒阻尼下的减振效果差异。结果表明,设计的颗粒碰撞阻尼器能够有效抑制圆筒设备各方向振动,且减振频带大幅度拓宽。这种环形设计思想和颗粒碰撞阻尼可以对调谐质量阻尼器提供更大的应用空间。     

半主动调谐质量阻尼器控制管道振动实验研究

在石化企业,气流在弯头、异径管处发生冲击,使得管道产生强烈受迫振动,影响机组的正常运行和生产。针对管道振动现象,建立了二维门型管道振动试验台,首先利用ANSYS有限元仿真软件对管道模型进行建模,得到前五阶固有频率,管道的第一阶固有频率为20Hz,并用作调谐质量阻尼器的目标频率。在管道上安装调谐质量阻尼器（TMD）,实验研究调谐质量阻尼器振动控制技术抑制管道振动的影响规律。结果表明,调谐质量阻尼器能有效控制目标频率附近频带的振动,降幅达81%,在管道不同位置安装调谐质量阻尼器都具有很好的减振效果,但在其他频带减振效果差。本文在调谐质量阻尼器上施加半主动开关控制策略后,可消除移频效应,目标频率的降幅可达98%,最终实现变频调节,宽频减振。     

半主动调谐质量阻尼器控制管道振动实验研究

在石化企业,气流在弯头、异径管处发生冲击,使得管道产生强烈受迫振动,影响机组的正常运行和生产。针对管道振动现象,建立了二维门型管道振动试验台,首先利用ANSYS有限元仿真软件对管道模型进行建模,得到前五阶固有频率,管道的第1阶固有频率为20 Hz,并用作调谐质量阻尼器的目标频率。在管道上安装调谐质量阻尼器(TMD),实验研究调谐质量阻尼器振动控制技术抑制管道振动的影响规律。结果表明,调谐质量阻尼器能有效控制目标频率附近频带的振动,降幅达81%,在管道不同位置安装调谐质量阻尼器都具有很好的减振效果,但在其他频带减振效果差。在调谐质量阻尼器上施加半主动开关控制策略后,可消除移频效应,目标频率的降幅可达98%,最终实现变频调节,宽频减振。     

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。     

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。     

输电塔减振的新型TMD开发与应用研究

针对强风和断线冲击作用下高压输电塔易发生的较大幅度振动问题,开发了一种弹簧板式电涡流调谐质量阻尼器(ECTMD)以减轻此类结构的风致振动和断线冲击效应。采用的ECTMD相比以往类似装置,其突出优点为使用非接触式的电涡流阻尼,构造简单且无内摩擦阻力,微振动下即可启动,且非对称悬臂梁摆式构造使其具有全向抑振功能。运用数值模拟和气弹模型风洞试验对有无ECTMD时的某50 m高输电塔振动响应进行了分析验证,计算和试验结果表明:ECTMD沿各方向均有一定的减振效果,在质量比约2%时,加速度减振率为18%～27%,位移减振率为10%～25%;因风作用下塔身1阶共振相比背景响应占比很小,故加装调谐质量阻尼器(TMD)装置对结构风振的抑制相对有限,但其能将结构阻尼值提高3倍左右,对于减小断线等冲击荷载效应会有较好效果。     

杠杆式调谐质量阻尼器对双吊索尾流致振的减振优化

围绕双索股长吊索整体风致振动及其减振控制问题,开展了节段模型风洞试验和基于杠杆式调谐质量阻尼器的减振设计和试验研究。通过节段模型测振风洞试验,研究了悬索桥双圆柱索股的整体风致振动特性及其不稳定区间;推导了考虑自激力作用的吊索整体振动杠杆式调谐质量阻尼器最优设计参数,并分析了各参数对减振效果的影响;根据最优参数设计了杠杆式调谐质量阻尼器,进行了双吊索整体尾流致振的控制实验,验证了各参数对减振效果的影响。结果表明:双吊索在6°-10°风攻角区间发生了大幅风致振动;与基于简谐力外荷载作用的TMD优化相比,按基于自激力作用的运动方程进行TMD参数优化,能显著减少抑制尾流致振的TMD质量比;杠杆式调谐质量阻尼器能有效提高双吊索整体风致振动起振风速,阻尼器参数偏离会降低减振效果,其中频率偏差影响最为明显。     

弹性支撑微颗粒阻尼的时效性研究

弹性支撑微颗粒阻尼器具有双层减振结构,外部为弹簧支撑,内部为微颗粒碰撞阻尼,将弹性变形与微颗粒碰撞耗能有效结合。对弹性支撑微颗粒阻尼器进行了持续50 h的正弦激励实验,实验结果表明弹性支撑微颗粒阻尼器能稳定消耗系统至少80%的能量。通过与单体碰撞阻尼,颗粒阻尼和弹性阻尼的实验比较揭示了弹性支撑微颗粒阻尼器的减振机理:内部微颗粒塑形变形,自由质量与阻尼器腔体的动量交换和外部弹簧吸振的共同作用,弹性支撑微颗粒阻尼器的外部弹簧能够消耗系统约50%的能量,使弹性支撑微颗粒阻尼器得阻尼效果随时间不断强化。根据上述减振机理,建立了弹性支撑微颗粒阻尼器的动力学模型,理论计算结果与实验结果进行比较,验证所建模型的正确性。运用该动力学模型对弹性支撑微颗粒阻尼器进行了优化,得到了该阻尼器的最优结构参数。     

滚动碰撞式调制质量阻尼器力学模型及参数分析

滚动碰撞式调制质量阻尼器(PTRMD)由调谐质量阻尼器及颗粒阻尼器发展而来,其在土木工程减振控制领域中的研究仍处于初步分析与探索阶段,阻尼器自身参数及外部激励条件对其减振性能的影响尚不明确。在考虑颗粒与主体结构碰撞和摩擦效应的基础上,建立PTRMD力学模型,并将颗粒和结构的振动过程划分为非碰撞过程、碰撞过程及黏滞振动过程;建立PTRMD-单自由度结构运动微分方程并分别对其进行求解;基于数值仿真分析方法,分别对碰撞间隙比、颗粒运动频率比、滚动摩擦因数、碰撞恢复系数、颗粒质量与简谐激励强度及频率等参数对PTRMD减振性能的影响进行研究。结果表明:颗粒运动频率比较小时,PTRMD减振效果随碰撞间隙比的增加而基本成线性增加,且受激励幅值的影响较小;当颗粒运动频率比较大时,其减振效果随碰撞间距比的增加先增大后减小,且受激励幅值影响较大。     

磁流变式调谐液柱阻尼器对地震作用的控制研究

磁流变式调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)是在调谐液柱阻尼器(TLCD)基础上发展的一种新型减振装置.建立了MR-TLCD数学模型,采用了等效阻尼线性化处理方法,分析了地震作用下对不同质量比、频率比以及可调控制剪切力等参数变化下对减振效果的影响.结果证明,磁流变式调谐液柱阻尼器对地震作用下单自由振动控制具有良好的控制效果.     

带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼的减振机理研究

具有双重减振结构的带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼具有优秀的减振性能。为了探索带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼的减振机理,建立了带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼系统的动力学模型,在Matlab环境下编制了仿真计算程序,模拟计算了在带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼作用下的悬臂梁的减振性能。理论计算结果与实验结果进行比较,验证了提出的动力学模型。运用该动力学模型讨论了阻尼器腔体间隙比、冲击器质量比、刚度比的基本规律。得到了以下结论:(1)带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼系统的动力学模型是可靠的;(2)带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼具有优秀的减振性能,远远超过单体碰撞阻尼;(3)带弹性支撑的颗粒碰撞阻尼最优的结构参数组合(间隙比为0.15,刚度比为0.007)。     

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。     

颗粒阻尼器对长周期桥梁结构的减震控制效果研究

为了研究颗粒阻尼器在长周期桥梁结构中的减震控制效果及其减震机理,以某典型的非对称独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了该桥的1:20缩尺模型,并设计制作了可用于试验模型的多层隔舱式颗粒阻尼器,对设置颗粒阻尼器前后的模型桥进行地震模拟振动台阵试验。试验结果表明:所提出的多层隔舱式颗粒阻尼器在试验中未出现颗粒堆积现象,其对缩尺模型桥主梁的纵向地震响应具有良好的减震效果,能较大幅度降低主梁位移峰值响应和加速度均方根响应;该型阻尼器能显著增加主梁纵向振动(低频振动方向)的等效阻尼比,且对其纵向振动基频具有较显著的调谐作用;多层隔舱颗粒阻尼器能有效控制长周期桥梁的低频动力响应,可应用于长周期工程结构的减震控制中。     

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%。     

基于电涡流-调谐质量阻尼器的海上风电筒型基础结构减振研究

针对海上风电结构在极端风荷载作用下会发生不利于工程安全的大幅振动问题,从理论推导与工程应用两个方面研究了基于新型电涡流-调谐质量阻尼器(Eddy Current-Tuned Mass Damper, EC-TMD)在海上风电筒型基础结构应用的可行性。首先,基于电涡流阻尼器(ECD)减振机理,将新型水平和摆式EC-TMD中的电涡流阻尼采用数值模拟中常规阻尼器等效替代;随后,利用Warburton公式对EC-TMD结构阻尼比和频率比进行优化;最后,将EC-TMD应用于江苏响水海上风电复合筒型基础结构实际工程模拟中。结果表明:极端风荷载工况下,EC-TMD可有效降低塔筒顶部振动位移幅度达21%～33%,说明其对海上风电筒型基础结构减振具有工程应用价值。