高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置，主桥采用欧拉伯努利梁，通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比，模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素，以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明，（1）合理有效地布置列车荷载轴距，可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外，避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应，即桥梁结构的基频共振；（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大，桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少，对桥梁振动有着不同程度的减振效果；（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器，可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应；（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座，粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显；（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座，粘滞阻尼器的减振效果略有提升，但不明显。     

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.      

减振阻尼材料设计方法研究

减振阻尼材料可以改变结构的阻尼特性从而降低振动响应和声辐射水平,因而被广泛应用于飞机结构的减振降噪。本文针对减振阻尼材料的设计和应用开展了一系列试验研究,首先通过材料改性得到了不同主基料下材料的配方对阻尼性能的影响;其次配制了三种不同的约束阻尼结构,通过DMA测试对比了三种约束阻尼结构的最佳使用温度和频率范围;最后对约束阻尼结构的减振效果和粘贴布局应用进行了试验,试验结果表明,约束阻尼结构具有良好的减振效果。通过研究掌握了减振阻尼材料在材料改性、约束阻尼结构设计、粘贴布局应用等方面的一些设计方法,可为后续的进一步研究提供技术支持和参考。     

薄壳结构噪声约束下附加阻尼层的最小成本设计

薄壳附加阻尼层旨在降低薄壳结构的噪声,为此本文研究该系统成本最小的优化设计:以包含阻尼的结构各层的倒厚度为设计变量,以满足设计的噪声要求为约束条件,以结构成本(包括约束阻尼层结构的薄壳基础层、阻尼层、约束层的材料费用)作为目标函数.利用K-S函数得到最大振动加速度级来描述噪声,运用响应面方法显式化噪声约束函数,采用序列二次规划求解优化模型.算例表明,增加阻尼层和约束层的厚度有利于增强结构的阻尼和刚度,优化设计使得薄壳结构的造价降低8.44%,且使结构的振动综合指标降低了27.08%,从而使结构减振降噪性能得到了提高.     

基于离散单元法的颗粒阻尼耗能减振特性研究

采用离散单元法并从能量耗散的角度研究颗粒阻尼对系统减振特性的影响。建立了颗粒介质细观下的法向、切向和滚动方向的粘弹性接触模型和能量耗散模型,通过冲击激励和简谐激励下系统振动响应的多参数能量耗散分析来研究颗粒阻尼的耗能机理和减振特性。数值试验表明,颗粒介质可以在一个较宽的振动幅值范围内有效的发挥其阻尼效应,其耗能具有阶梯状周期性的特点。填充率是影响颗粒阻尼耗能减振效果的主要工程可控参数并对系统共振频率产生重大影响,当填充率接近极值时,系统出现无阻尼共振及共振频率超出无颗粒系统固有频率的现象。系统在最优填充率下共振时,颗粒与箱体保持恒定相位差的超振幅稳态运动。较小粒径的颗粒可以提高能量耗散率并使振动系统更快趋向静平衡状态,而恢复系数和摩擦系数则对法向和切向耗能的比值有较大影响。     

蜂窝锥壳卫星适配器约束阻尼层振动抑制分析

主要研究在蜂窝锥壳卫星适配器上附加约束阻尼来抑制锥壳传递振动。尽管约束阻尼方面的研究很多，但是大多数都是针对简单的梁或者板结构，而对复杂蜂窝锥壳结构的振动抑制问题研究还很少；为此，通过对蜂窝壳的等效化处理和约束阻尼结构的有限元建模理论分析，建立起卫星一适配器结构在有无附加约束阻尼情况下的有限元模型，进一步通过模态分析和频响分析，得到不同约束阻尼层设计参数对结构振动抑制影响规律。分析结果对于经济有效的设计约束阻尼层和结构减振减重具有较好的参考价值。     

约束阻尼梁的六阶模型分析

通过理论分析了约束阻尼三层梁振动分析常用的六阶模型,并指出了常用的六阶模型物理本质上的局限性,即基层与约束层的轴向位移之比u1/u3为常数.利用有限元模拟计算对不同边界条件对约束阻尼梁固有频率的影响进行了研究,结果发现与不考虑u1/u3为常数时的情况相比,考虑 u1/u3为常数时:对一端固支一端自由的悬臂梁计算影响最大,其一阶固有频率计算值偏高44.6%;对两端固支的梁,一阶固有频率计算值偏高4.94%;对简支梁的影响最小,一阶固有频率值只偏高0.9%.本文明确指出了约束阻尼梁振动分析常用六阶模型的适用范围.工程实际应用发现约束层与基层粘接到一起,近似相当于u1/u3为常数成立,减振效果较差,振幅降低小于10%;现场采取措施将与基层连接到一起的约束层断开,试验效果较好,减振幅度约为30%.     

时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的等峰优化理论与实验

摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换,且经济实用,广泛应用于结构减振.它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率,使摆产生与主系统相反的振动,从而抑制或消除主系统的振动.本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计,实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制.首先,建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程,通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化,获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比.对于主系统存在阻尼的被动减振系统,在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效.其次,对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统,采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域.在保证系统稳定的前提下,通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制.再次,对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析,表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感.最后,通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证.研究表明,通过采用时滞反馈对摆式调...     

架空输电线防振锤阻尼特性实验研究

本文利用梁的振动理论对防振锤的阻尼特性进行研究。通过正弦激励下的共振驻留法,分别对不同型号以及同种型号不同锤头质量的防振锤进行振动实验,应用能量平衡原理得到了防振锤的阻尼特性曲线,分析了不同模态响应在阻尼耗能中的贡献。考虑不同类型阻尼对于减振性能的作用,在Lazan阻尼假设的基础上,利用经验公式推导了阻尼系数计算公式。结果表明,钢绞线变形大小直接影响防振锤的阻尼值大小;阻尼对减小共振频率附近的受迫振动幅值作用明显,验证了防振锤的减振性能;同时锤头质量的变化可以影响阻尼曲线的变化。以上结论可为防振锤的防振设计和应用提供参考。     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,(1)合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;(2)随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;(3)通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;(4)随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;(5)随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

Active and passive magnetic constrained damping treatment

This paper has presented a new class of active and passive magnetic constrained layer damping (APMCLD) treatment for controlling vibration of three-layer clamped–clamped beams. Firstly, optimal placement strategies of discrete patches are investigated. The predictions of model are validated experimentally using three-layer clamped–clamped beams treated with fully or segmented passive magnetic constrained layer damping (MCLD) treatments. The results indicate that full MCLD treatment induces less improvement of damping characteristics. Also, the obtained results illustrate that, the improvement of damping performance using two-patched MCLD treatment becomes more apparent at the first mode compared to the corresponding performance using a single-patched MCLD treatment when the total length of damping layer is from 0.3L to 0.65L under considered magnetic force. Further, damping performances of APMCLD using several control strategies including simple PD controllers are investigated. The analytical results show that it induces less improvement of damping characteristics for higher modes using simple positive proportional feedback controllers whereas higher modes can been suppressed effectively using negative derivative feedback controllers. For broad band control of structural vibration, it is more effective using APMCLD treatments with combined proportional and derivative controllers. Moreover, the MCLD treatment still plays an important role in damping out structural vibrations even though active control systems fail.     

Free vibration of circular cylindrical shell with constrained layer damping

Free vibration characteristics of circular cylindrical shell with passive constrained layer damping (PCLD) are presented. Wave propagation approach rather than finite element method, transfer matrix method, and Rayleigh-Ritz method is used to solve the problem of vibration of PCLD circular cylindrical shell under a simply supported boundary condition at two ends. The governing equations of motion for the orthotropic cylindrical shell with PCLD are derived on the base of Sanders’ thin shell theory. Numerical results show that the present method is more effective in comparison with other methods. The effects of the thickness of viscoelastic core and constrained layer, the elastic modulus ratio of orthotropic constrained layer, the complex shear modulus of viscoelastic core on frequency parameter, and the loss factor are discussed.     

COMPARISON OF VIBRATION PERFORMANCE OF A SANDWICH CLAMPED-CLAMPED BEAM WITH MAGNETS VERSUS CONVENTIONAL CONSTRAINED DAMPING TREATMENTS

I. INTRODUCTION Ruzzenne[1] and Baz[2] presented a new class of magnetic constraining layer damping (MCLD)treatment in which permanent magnets are respectively ?tted in the base and on the constraining layerroot of a cantilever beam with a small cutout.…     

MODELING AND DYNAMICS ANALYSIS OF SHELLS OF REVOLUTION BY PARTIALLY ACTIVE CONSTRAINED LAYER DAMPING TREATMENT

A new model for a smart shell of revolution treated with active constrained layer damping （ACLD） is developed, and the damping effects of the ACLD treatment are discussed. The motion and electric analytical formulation of the piezoelectric constrained layer are presented first. Based on the authors~ recent research on shells of revolution treated with passive constrained layer damping （PCLD）, the integrated first-order differential matrix equation of a shell of revolution partially treated with ring ACLD blocks is derived in the frequency domain. By virtue of the extended homogeneous capacity precision integration technology, a stable and simple numerical method is further proposed to solve the above equation. Then, the vibration responses of an ACLD shell of revolution are measured by using the present model and method. The results show that the control performance of the ACLD treatment is complicated and frequency-dependent. In a certain frequency range, the ACLD treatment can achieve better damping characteristics compared with the conventional PCLD treatment.     

Effect of debonding in active constrained layer damping patches on hybrid control of smart beams

A new model for a smart beam with a partially debonded active constrained layer damping (ACLD) patch is presented, and the effects of the debonding of the ACLD patch on both passive and hybrid control are investigated. In this model, both shear and compressional vibrations of the viscoelastic material (VEM) layer are considered. The moment inertia and the transverse shear effect are also taken into account based on the Timoshenko’s beam theory. The adhesive layer between the host beam and the piezoelectric sensor patch is modeled as an elastic load transferring media. The debonding of the ACLD patch is approximated by removing the VEM between the constraining layer and the host beam in the debonding region, and the continuity conditions are imposed based on displacement continuity and force balance. A modal velocity observer-based modal control scheme is also given to perform the active modal control of the beam. In order to examine the effects of part debonding of the ACLD patch, the characteristic equation of the beam treated with an ACLD patch is derived. The simulation example results show that an edge debonding of the ACLD patch can significantly affect both passive and hybrid control. It is also found that the additional mode induced by the debonding has unique effects on the modal damping ratios and frequencies of both open-loop and closed-loop system.     

自感知主被动阻尼悬臂梁动态特性分析

由Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理导出了压电层作约束层作约束层的自感知主被动阻尼控制结构的振动控制方程;由自感知电压引入速度负反馈闭环控制,并由假设模态法将位移按模态展开,求解了悬臂梁结构的动态特征;对被动控制、自感知主动控制、自感知主被动控制的控制效果进行了分析比较;分析了粘弹层厚度变化、材料参数变化以及压电层厚度、位置等结构参数变化对控制效果及模态频率的影响;并对自感知主被动阻尼控制结构的特点和设计中应注     

等效刚度对非线性压电俘能系统性能影响研究

基于Hamilton原理，考虑几何非线性和梁的不可伸长条件，建立了五层压电双晶片叠合梁俘能器在直接和参数激励作用下的运动微分方程。利用Galerkin法和谐波平衡法获得了俘能器的位移、输出电压和输出功率的解析解。引入随时间变化的扰动，提出了非线性方程解的稳定性条件。为了对压电俘能器的结构-性能关系进行综合分析，研究了被动层的配置形式、被动层与主动层的厚度比和弹性模量对压电俘能系统性能的影响。结果表明，在叠合梁厚度不变的情况下，采用五层的压电双晶片叠合结构，选择合理的被动层与主动层厚度比、被动层弹性模量、被动层厚度比和负载电阻，可以有效提高能量俘获的效率。     

Dynamic characteristics of a cantilever beam with partial self-sensing active constrained layer damping treatment

The equations of motion governing the vibration of a cantilever beam with partially treated self-sensing active constrained layer damping treatment(SACLD) are derived by application of the extended Hamilton principle. The assumed-modes method and closed loop velocity feedback control law are used to analyze and control the flexural vibration of the beam. The influence of the bonding layer and piezoelectric layer thickness, material properties, placements of the piezoelectric patch and feedback control parameters on the actuation ability of the vibration suppression are investigated. Some design considerations for pure passive, pure active control, and self-sensing active constrained layer damping are discussed. The present work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 59635140).     

电磁约束阻尼层结构振动主动控制研究

基于弹性、粘弹性、电磁学理论,应用Hamilton原理,导出了覆盖电磁约束层阻尼(EMCLD)主动控制方式的梁的控制方程,并针对覆盖EMCLD的悬臂梁,进行了主动控制仿真模拟,得到了较好的控制效果,分析了控制电流和阻尼层厚度对控制效果的影响.结果表明电磁约束阻尼技术具有结构简单、作动方式合理、耗能低的优点,是一种有效的振动主动控制方式.     

主动约束层阻尼振动控制研究进展

主动约束层阻尼(Active Constrained Layer Damping, ACLD)是以可控的压电材料代替被动约束层中不可控的约束层,通过可控的约束层主动地控制黏弹性材料的剪切变形以进一步增大其对振动能量耗散的主动阻尼形式,它充分结合了主动控制与被动阻尼作用各自的优势,使得其在结构振动控制方面显示出极好的应用价值.本文首先解释了ACLD的基本结构和阻尼机理,然后综述了最近几年有关ACLD在结构建模,控制方案及结构优化等方面的最新研究进展,最后指出了应用前景并总结了进一步研究的问题.