粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析Calculation of vibration equation and analysis of seismic response for damping energy dissipation frame structure

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

设置支撑的广义Maxwell阻尼器系统基于非平稳巴斯金谱的地震响应分析

对设置支撑的广义Maxwell阻尼器单自由度减震系统非平稳随机地震响应问题进行了系统的研究。首先,建立设置支撑广义Maxwell阻尼器的等效本构关系,将设置支撑广义Maxwell阻尼器转化为不带支撑的等效阻尼器;然后,采用传递函数法,直接在耗能结构原始空间上,获得减震系统在非零初始条件和任意激励下结构整体系统(含支撑和阻尼器的位移、速度以及受力,结构位移与速度)的时域瞬态响应精确解;最后,针对2种经典均匀调制四参数巴斯金谱地震激励,获得了减震系统的结构整体系统非平稳响应解析解。所获得的结构系统时域瞬态响应精确解和非平稳地震响应解析解,可为结构系统各构件建立抗震反应谱设计法和动力可靠度提供分析路径。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅱ)——等效阻尼

对多自由度带支撑Maxwell阻尼器减震结构的等效阻尼比进行了系统研究。构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组;基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析计算式。与一些典型问题的模态应变能法的计算精度进行对比分析,结果显示:本文方法的计算结果在特定条件下与精确解完全相同;在一个二自由度系统中相对位移响应方差的误差分别为0.99%和0.45%,优于应变能法的8%和5.4%,表明了本文方法的有效性。从而为建立此类耗能结构等效阻尼分析的完备解析解法、直接应用反应谱法进行实际工程设计提供了依据。     

SMA叠层变刚度水平万向阻尼器滞回性能研究

利用NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)的超弹性特性，开发了一种新型SMA叠层变刚度水平万向阻尼器，介绍了其基本构造和工作原理，建立了阻尼器恢复力计算模型并开展了滞回性能参数分析，研究了SMA张拉应变、SMA直径、阻尼器层数以及每层SMA丝根数对阻尼器行程、刚度、耗能、等效阻尼比的影响.研究结果表明：SMA叠层变刚度水平万向阻尼器的恢复力-位移滞回曲线呈饱满的纺锤形，阻尼器具有良好的能量耗散能力、自复位功能、大行程以及变刚度特性；随着SMA张拉应变由0.03不断增大至0.06,阻尼器最大行程不断减小而单位循环耗能呈先增大后减小趋势；随着SMA直径不断增大，阻尼器刚度和耗能能力不断增大而最大行程和等效阻尼比不变；随着叠层层数不断增大，阻尼器最大行程和单位循环耗能不断增加而刚度不断降低；随着每层SMA布置数量由8根增大至16和32根，阻尼器刚度和单位循环耗能不断增大而最大行程和等效阻尼比变化不明显.     

一种耗能剪力墙结构地震反应的简化计算方法

本文用哈密顿原理建立了一种带竖缝耗能剪力墙结构在地震作用下的动力平衡方程，用Ritz法求解该方程，采用基于割线刚度和阻尼比等概率 幅值平均的等效线性方法求解竖缝中的耗能装置的刚度和阻尼比，并通过对一耗能剪力墙结构模型振动台试验的计算分析表明了该方法计算简单，且有较好的计算精度，为便于工程应用，对由耗能装置提供给结构的附加阻尼进行强行解耦，用振型分解反应谱的方法进行耗能结构地震反应的简化计算，并通过对一算例的计算分析表明了该简化方法具有一定的精度，该简化方法使对耗能结构的抗震计算与普通结构比较一致，该方法主要适用于小震作用下的耗能结构的抗震计算。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的等效阻尼

利用积分型本构关系,建立了带支撑的一般粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构的微分-积分混合地震响应方程;基于与随机平均分析完全相同的等效准则,推导了可直接应用反应谱的阻尼器的等效刚度和等效阻尼的解析公式;得到了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器的等效刚度和等效阻尼的一般结果。通过与一些典型问题的数值计算结果比较,表明了所提方法的有效性。     

线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析与优化

振动方程阻尼矩阵对于布置了阻尼器框架结构的振型不再具有正交性,传统的振型解耦法已不再适合于该振动方程的求解。本文采用状态方程直接积分法,研究了线性粘滞阻尼耗能框架结构的地震响应,并与SAP2000有限元软件的分析结果进行了对比,两者误差在5%以内;本文也探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。结果表明:减震结构布置阻尼器的楼层,其层间位移角减小较显著;但未布置阻尼器的楼层,其层间位移角较大,甚至会出现层间位移角超过传统抗震结构相应值的现象,因此粘滞阻尼器在结构中应连续布置,不宜在结构中间断;当粘滞阻尼器在结构各楼层均匀布置时,结构各楼层最大位移反应相对传统抗震结构降低很多,约为抗震结构的20%~40%,减震效果较显著,但各楼层阻尼系数可根据均匀布置阻尼器的结构层间位移角优化;阻尼系数优化后,结构各楼层层间位移角差别减小,较为均匀。本文最后提出了线性粘滞阻尼耗能结构地震作用的实用计算方法。     

设置粘弹性阻尼耗能框架结构减震性能分析

研究粘弹性阻尼器对框架结构的减震性能,分析该阻尼器的阻尼参数对框架结构地震反应的影响,给出设置阻尼器后结构地震作用的计算方法。对设置粘弹性阻尼器框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究阻尼器的阻尼系数C_d和松弛时间系数η等对结构地震响应的影响。在此基础上,提出粘弹性阻尼器的阻尼系数在各楼层经济分布的实用计算公式,并对设置粘弹性阻尼器框架结构地震作用给出计算方法,分析结构各楼层的地震作用及结构各振型的底部剪力。研究表明,设置于框架结构的粘弹性阻尼器宜控制其松弛时间系数η≤0.5～0.7。     

Analytical investigation of an SDOF building structure equipped with a friction damper

The purpose of this study is to investigate analytically a single-degree-of-freedom (SDOF) building structure equipped with a friction damper for assessing its vibration control effect. Friction dampers are installed between stories to reduce inter-story displacements of building structures subjected to external loading. They are in general regarded to generate damping forces characterized by Coulomb damping, of which the directions are opposite to the inter-story velocities of building structures. Hence, the building structure model with friction dampers can be represented by a mass-spring-viscous-Coulomb damping system. The building response reduction as a result of damper installation can be provided by observing the damping ratio rather than the friction force contributed by the dampers. Since a large friction damper force is required to attenuate the response of the building due to strong excitation, friction force ratio is directly related to building response reduction, which is the friction force of the damper versus external force. Therefore, damping and friction force ratios are key parameters, playing a main role in selecting an optimal friction damper, which satisfies target response reduction. This study first identifies an SDOF building structure installed with a friction damper for free vibration with initial conditions. A?closed-form expression of normalized displacement is derived in terms of friction force ratio in the time domain. Peak and valley of displacements are also found and then the time when the structure stops is derived with recursive interval number. This study is extended to identify steady-state vibration of the structure by deriving closed-form solution in case of resonance in terms of friction force ratio. Then, the dissipated energy balance is identified for both free and steady-state vibrations. Finally, equivalent viscous damping ratios are derived by using friction force ratio based on dissipated energy balance equation. The derived equations in terms of viscous damping ratio and friction force ratio can provide insight to design a friction damper for reducing structural displacement under external loadings.     

A hysteretic model of localized frictional contacts with instrumental stiffness

The steady-state dynamic response of a single-degree-of-freedom system comprising both a hysteretic element and a spring is considered. The Hertz–Cattaneo–Mindlin theoretical framework for modeling of local tangential contact with friction is applied in conjunction with the Masing model of hysteresis to describe the hysteretic behavior of the multiple localized frictional contact interface. The steady-state tangential displacement amplitude of a rigid body under harmonic tangential force excitation is approximately determined by means of the equivalent linearization technique, based on the harmonic balance principle. A special attention is paid to the evaluation of the frictional damping and the determination of the backbone curve of the Masing model from the dissipation-amplitude relation.

     

滞回摩擦型调谐惯质阻尼器结构隔震研究

本文研究一种新型非线性阻尼器——滞回摩擦型调谐惯质阻尼器(HFTID)在工程结构抗震控制中的应用。HFTID由调谐惯质阻尼器(TID)和滞回弹簧摩擦元件并联组成。首先通过谐波平衡方法推导了HFTID单自由度系统力与位移的传递率。然后对HFTID进行了最佳调谐参数优化，得到HFTID最优参数的近似表达式，比较了HFTID和TID振动控制系统的减振效果。结果表明，HFTID相比TID可以进一步降低振动控制系统的传递率。最后，以一栋多层隔震结构为例，将HFTID与TID的隔震效果进行了对比，结果表明，HFTID相比TID在降低地震响应峰值和均方根值方面具有更大优势，验证了HFTID在降低地震响应方面的有效性和实用性。HFTID在建筑和桥梁结构抗震、车辆悬挂系统和其他机械隔震问题上具有潜在的应用前景。     

GCr15钢-CVDCr_7C_3镀层摩擦副摩擦振动的研究

本文系统地研究了GCr15钢球-CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副滑动干摩擦引起的摩擦力(切向力)振动特性及其对材料摩擦磨损性能的影响。试件系统在垂直和水平方向上均处于低刚度、小阻尼状态。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,摩擦力振动的类型与正压力有关,而与拖动速度无关;摩擦力呈周期性自持振动时具有与相对滑动速度典型的非线性关系,振动频率接近(略低)于系统在切向的固有频率,而与拖动速度无关;摩擦力呈非平稳随机振动时,振动频率与系统在法向的振动频率有关,而与系统在切向的固有频率及拖动速度都无关;摩擦偶件运动的平稳性与摩擦力振动的类型有关,而与平均摩擦系数无关;摩擦力所耗费的能量与正压力呈比例关系。     

Vibrations of a rigid body with a controlled frictional electromagnetic seismic damper: nonlinear model

A nonlinear mathematical model of a gravitational vibratory system with a controlled electromagnetic seismic damper is developed. The dependence of the force of attraction of ferromagnetic bodies by the solenoid of the frictional device on the solenoid current is established for a specific solenoid design. The analytic expression for this force is derived by the least-squares method using a system of continuous piecewise-linear functions. It is used to describe the pressure of the solenoid on the friction surface. For multifrequency inertial excitation, the acceleration amplification factor is evaluated depending on the time constant and gain for two cases of control. The possibility of damping vibrations by controlling the absolute velocity and acceleration is established     

Pseudo-random number generator based on discrete-space chaotic map

This paper describes an efficient method to predict the nonlinear steady-state response of a complex structure with multi-scattered friction contacts. The contact friction force is equivalent to additional stiffness and damping based on optimal approximation theory, and as a consequence, the computation is simplified greatly by the linearization for a nonlinear system. In order to obtain accurate pressure distribution on the contact interfaces, the dynamic contact normal pressure is obtained by the equivalent static analysis which is validated for most engineering cases. Considering the complex procedure to determine the transformation between two different contact states, the differential forms of friction force are given to solve the tangential force accurately under the complex movement of interfaces. The approaches developed in this paper are particularly suitable to solve the dynamic response of large-scale structures with local contact nonlinearities. The entire procedure to calculate the steady-state response of a finite element model with a large number of degrees of freedom is demonstrated taking the blades with underplatform dampers as an example. The method is proved to be accurate and efficient; in particular, it does not suffer convergence problem in the allowable range of precision error, which exhibits remarkable potential engineering application values.     

TWO-DIMENSIONAL MOTION OF A PARTICLE ON AN INCLINED PLANE

质点在斜面上受到大小恒定的下滑力和摩擦力而运动,但后者方向随速度而变化。摩擦因子与斜面坡度比值即等效摩擦因子λ> 1 时质点最终在斜面上停止;0:5 <λ≤6 1 时质点不会停止但水平方向运动距离存在限界,而λ≤0:5 时水平方向也可运动至无穷远。相同等效摩擦因子下质点运动轨迹的曲线簇具有包络线。     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

盘-销摩擦系统摩擦接触力测试与特性分析

测量分析动态摩擦接触力是研究摩擦振动与噪声发生机理的关键.本文中建立了盘-销系统摩擦尖叫试验台架,成功再现了摩擦尖叫.采用三向力传感器对有无摩擦尖叫条件下的动态摩擦接触力进行了测量,并利用小波信号分解、概率密度函数、功率谱密度函数、时频分析等方法进行了分析和讨论.研究发现:在发生摩擦尖叫时,动态摩擦力和法向力发生高频波动,是系统噪声的激励源;无摩擦尖叫时的摩擦力和法向力的动态分量为典型的白噪声随机过程,呈非高斯分布;有摩擦尖叫时的摩擦力和法向力为窄带高频类谐波信号,摩擦力呈非高斯分布,而法向力近似为高斯分布;模态耦合是导致盘-销系统发生动态接触力高频波动以及摩擦尖叫的原因.