高层建筑TMD风振控制优化设计

本文探讨了高层建筑TMD风振控制优化设计方法,研究了高层建筑TMD风振控制最优参数取值问题,给出了高层建筑TMD风振控制设计步骤,最后给出了算例说明及其应用。     

船舶振动声学优化设计中设备运动激励的等效反演力方法

当设备振动载荷以运动激励形式给出时,常采用大质量法或直接加速度法进行结构动力响应分析。但基于这两种方法的动力学模型无法用于船舶振动模态分析以及振动声学优化设计迭代过程中的动力学重分析。本文基于动力设备内源激振力的不变性,提出等效反演力法,将设备运动激励转换为设备等效内源力载荷,用于船舶水下辐射噪声的预报以及结构声学优化设计。以某舱段为例,对比分析了不同加载方法对应的动力学模型的固有频率与水下辐射噪声声功率,实测水声声功率为92.33 dB,基于等效反演力法输入的水声声功率数值计算结果为93.84 dB,两者相差1.51 dB。研究表明,等效反演力法是在振源设备载荷以运动激励给定时计算水下辐射噪声并用于声学优化设计的优选方法。     

负刚度时滞反馈控制动力吸振器的等峰优化

相比于传统动力吸振器, 负刚度动力吸振器同时具有更好的减振能力和更宽的有效减振频带宽度, 为了进一步降低共振峰幅值, 在负刚度吸振器系统耦合时滞反馈控制. 对负刚度时滞反馈控制动力吸振器系统进行等峰优化设计, 优化设计的准则是:第一和第二共振峰的峰值相等; 同时兼顾两个目标, 一个目标是在优化时的最大共振峰幅值小于被动负刚度吸振器系统的反共振峰幅值, 另一目标是在优化时共振峰幅值与反共振峰幅值差小于被动吸振器系统. 接着, 通过设计和调节负刚度系数、吸振器阻尼系数和时滞反馈控制系数对控制系统进行等峰优化设计. 最后, 在降低幅值的同时, 分析结构参数对有效减振频带宽度的影响. 经过等峰优化之后, 选择本文的一组结构参数与两个典型的模型进行对比. 为了定量比较不同模型的降幅效果, 定义了减幅百分比, 研究发现在有效减振频带区间内减幅百分比超过40%以上. 结果表明, 通过等峰优化准则对结构参数进行优化设计和调节增益系数和时滞量, 共振峰幅值的减幅百分比也近似达到40%, 也可以调节增益系数和时滞量, 使得幅频响应曲线具有较宽的有效减振频带和较低的共振峰幅值与反共振峰幅值的差值.      

一种基于相关分析的平面振源探测方法

相关分析在信号处理，振动测试等领域内得到广泛应用。本基于相关分析技术，提出一种探测平面横向振源的方法，并设计了一组实验来检验该方法的有效性。通过对实验结果的分析，找出了利用该方法探测振源时振源时所应满足的条件和需要解决的问题。实验证明，在一定条件下，该方法可以成功地探测出震源位置。     

非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计及其应用

提出了非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计,推广了前人在非线性动力吸振器领域的研究．首先提出了计算耦合非线性动力吸振器的主系统的稳态响应的平均法,然后采用数值优化法详细的研究了非线性动力吸振器的宽带优化设计,系统讨论了质量比、主系统阻尼比、吸振器阻尼比、系统频率比、激励频率比、位移比、吸振器刚度非线性系数和吸振器阻尼非线性系数与抑振带宽的关系;最后考虑了非线性动力吸振器的应用实例,指出非线性动力吸振器可以显著拓宽抑振频带．     

城市道路交通诱发建筑结构振动的实测和数值模拟

为了研究城市道路诱发的环境振动问题，首先对某城市道路交通引起的周围建筑结构振动进行现场实测，并对实测数据进行峰值、功率谱、加速度振级分析，然后建立实测建筑结构的有限元模型，最后分析总结出城市道路环境振动对建筑物的影响及其在结构中的传播规律。实测分析表明：各种交通振源诱发的环境振动的频率范围不同，对于一些对环境振动敏感的特殊建筑，在进行结构振动设计时应综合考虑结构所在地环境振动特点和结构自身动力特性，以满足分频限值评价标准的要求，除考虑竖向环境振动外，还需考虑水平向；有限元分析结果能够给出振动在结构内的传播规律，可用于对结构受环境振动影响的定性分析和敏感性分析；实测和数值分析结果表明：不论是加速峰值还是加速度振级，竖向幅值均随楼层的增加而单调增加，但水平向幅值并不随楼层的增加而单调增加。     

随机振动载荷的传递路径分析研究

在传统的周期性信号传递路径分析(TPA)的基础上,研究了随机振动信号的TPA分析方法。理论研究表明:对于随机振动信号,也可以用功率谱密度的形式实现TPA分析,并得到每条传递路径上的贡献量。以某发动机振动载荷的传递路径分析为例,得到了各激励源通过各传递路径的振动贡献量以及振动传递的主路径,第四个激励源通过路径4的传递贡献量较大。在90Hz、130Hz处,路径4贡献量大的原因是由于激励载荷较大导致的,可以进行振源减振隔振安装设计;而在115Hz、165Hz处,路径4贡献量大的原因是由于传递特性较大导致的,可以针对该阶振动模态进行结构优化设计或者减振隔振,从而减小目标点的振动响应水平。     

梁裂纹的识别——最优控制理论的应用

本文研究在已知振源及某测点的振动数据下如何识别弹性梁的裂纹.首先将问题转化为分布参数系统的优化问题.再应用脉冲变分原理得到新的梯度公式及优化算法.文末附有仿真例题.与传统的探伤方法比较,该方法充分利用了振动波的动态讯息,对振源的要求比较宽,可作为在线探伤仪的设计基础.     

一种高动态使用微惯性测量单元的实现

针对在振动和高速自旋条件下使用MIMU的问题,提出了一种具备高动态环境适应能力的MIMU设计。采用国产微加速度计和微陀螺作为微惯性传感器,由Honeywell HMC2003完成地磁场测量。采用力学仿真方法分析了随机振动对MIMU本体结构的影响,优化设计后,加速度功率谱密度抑制比达到98.9%;在高速自旋状态下,采用地磁场组合解算方法弥补轴向微陀螺量程饱和所产生的失效数据,300(°)/s以上角速率误差小于1(°)/s。经飞行试验验证,该设计保证了微惯性传感器在高动态环境下的正常工作。     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

一种含负刚度元件的新型动力吸振器的参数优化

提出了一种含有负刚度弹簧元件的新型动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了详细研究. 通过拉氏变换得到了系统的解析解,发现该系统存在着两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优阻尼比和最优频率比. 进一步研究发现接地刚度取负值时能够得到更好的减振效果,根据负刚度的特性得到了在保证系统稳定情况下的最优负刚度比. 通过数值解与解析解的对比证明了解析解的正确性. 通过与两种已有的典型动力吸振器模型在简谐激励和随机激励情况下的对比,说明了负刚度模型在主系统减振方面具有很大的优势,减振效果远优于两种已有动力吸振器模型,从而为设计新型动力吸振器模型提出了理论上的依据.      

时滞非线性动力吸振器的减振机理

对一个带有时滞非线性动力吸振器的两自由度结构,采用多尺度法研究了时滞非线性动力吸振器对主系统的减振性能,得到了主系统的振幅-时滞响应曲线.研究结果表明,对时滞非线性动力吸振器,可以通过调节反馈增益系数和时滞控制主系统的振动. 研究还发现,对确定的反馈增益系数,可以存在时滞的一些调节区域,时滞非线性动力吸振器可以减小主系统的振动. 并且在时滞的这些可调区域里,存在一个``最大减振点'对应这一反馈增益系数下主系统振幅的最小值.对不同的反馈增益系数,``最大减振点'对应的主系统的振幅也不同.因此能够找到一组反馈增益系数和时滞量的最佳值,最大程度地减小主系统的振动.研究结果表明,当反馈增益系数和时滞量调到最佳值时,主系统的振动较无时滞非线性动力吸振器可以减少90{\%}左右, 数值模拟也证实了解析结果的正确性.      

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.      

自适应主动共振吸振器的设计和减振性能研究

为了扩大吸振器的工作频带,减小吸振器的阻尼,最终提高吸振器的减振效果,本文设计了一种自适应主动共振吸振器。文中对几种不同种类吸振器的减振原理、动力学特性等进行了理论分析和比较,集成自调谐吸振器和主动吸振器的优点,完成了一种自适应主动共振吸振器的设计,并提出了一种变步长、双寻优的控制算法。在振动台上测试了吸振器的动力学特性并理论分析了吸振器的移频特性和阻尼特性。在两端固支梁上对吸振器的减振效果进行了实验评估。实验结果显示,相比自调谐吸振器,加入主动力控制后,自适应主动共振吸振器的阻尼比从0.04减小至0.02,减振效果得到了显著的提高。     

主动移频式动力吸振器及其动力特性的研究

动力吸振器是振动控制中比较有效的减振装置,只要吸振器(子系统)的振动固有频率与振动物体(主系统)的振动频率相同,即可有效地消除主系统的振动。但传统动力吸振器的控制频率带宽较窄,限制了其稳定性和减振效果的提高。本文通过独特的机械设计,研制了一种可以通过调节自身的几何参数,使得其固有频率随几何参数线性变化的主动移频的新型动力吸振器,并初步设定了相应的控制方法。文中还对其动力学特性进行了理论分析和实验测试,分析了它的机理,评估了它的实际减振效果。研究结果表明该吸振器可以大范围调节自身固有频率,有效拓宽吸振频带,具有良好的减振性能和稳定性。     

不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究

动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合,但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制.文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器,以提升吸振器的吸振性能.考虑实际工程中可能的安装方式,分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型,利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应,并与数值结果相互验证,证明了求解结果的准确性.随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能,发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点,且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优.在此基础上,讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响,最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为.研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时,频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.     

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同。针对上述问题,本文提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法。在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能。本文最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果。研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减少,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善。      

Design of a tuned vibration absorber for a slender hollow cylindrical structure

Abstract

In this paper, details of the design work for a tuned vibration absorber to be used on a hollow cylindrical structure is presented. The vibration problem is of resonant type and the tuned vibration absorber is designed to suppress the displacement vibration response of the free end of the slender hollow structure dominated by the contribution of its lowest transverse vibration modes. The structure is modeled using a commercial finite element software. Finite element model of the structure is verified using experimentally obtained frequency response functions and modal parameters. Effective parameters of the tuned vibration absorber design are then determined based on finite element analysis simulations of the vibration suppression performance of the tuned vibration absorber as it is used on the structure. Details of the tuned vibration absorber design are determined and a prototype is fabricated. Prototype tuned vibration absorber is then characterized experimentally both as a standalone system and also as it is used on the main structure. Vibration reduction performance of the physical prototype of the tuned vibration absorber is also compared with its vibration reduction performance estimated from finite element analysis simulations so that the analysis based design process can be validated.

Communicated by Dumitru Caruntu.     

旋转叶片滚子式动力吸振器基本原理和特性

讨论了一种可用于旋转叶片的动力吸振器基本原理和动态特性。文中首先说明了这种以滚子滚动作为辅助系统的动力吸振器结构和力学模型,建立了吸振器数学模型并进行了相应的数学分析;然后说明了这种滚子式动力吸振器可随叶片旋转速度变化的自调谐特性,讨论了有关自调谐特性的性质。研究表明,这种新型的滚子式动力吸振器结构紧凑,具有随叶片旋转速度变化的自调谐功能,可以用于旋转叶片的减振问题。最后,文中研究和分析了这种吸振系统频率特性,表明这种系统也具有特殊的“频率转向”特性,反映了系统不同模态间的耦合性质。