自供电磁流变阻尼器减振系统与永磁式电涡流TMD的研制及应用

摘要

为使磁流变(MR)阻尼器摆脱对外部电源的依赖与提高调谐质量阻尼器(TMD)的耐久性,本文基于电磁感应原理研制了具有自供电特性的MR阻尼器减振系统与采用电涡流作为阻尼元件的新型TMD装置,并分别用于两大类工程结构的振动控制。一类是适于安装直接耗能减振装置的结构,如斜拉索、隔震桥梁;另一类是更适于采用吸能减振措施的结构,如高耸输电塔、大跨度人行桥与拱桥刚性细长吊杆。本文主要研究内容与取得的成果有:
　　 (1)构建了由能量回收电机与只需较小能量供给的MR阻尼器集成的自供电MR阻尼器减振系统,并通过试验与仿真分析阐明了自供电MR阻尼器的可行性、优越性与减振机理。
　　 (2)建立了基于自供电MR阻尼器被动控制的模型斜拉索减振试验平台。试验结果表明:自供电MR阻尼器对模型斜拉索的前五阶模态振动均具有较好的控制效果,既能够大幅提高拉索的模态阻尼比,又不会造成MR阻尼器的嵌固,使得减振效果与拉索的振动幅值水平无关,而外供电MR阻尼器被动控制只能在拉索振动幅值较大时,才有较好的减振效果。分析表明,自供电MR阻尼器对拉索优越的控制效果主要归功于减振系统具有的粘滞阻尼与负刚度控制特性。
　　 (3)提出了面向实桥拉索减振的自供电MR阻尼器设计流程。对两根典型实桥拉索(114m的短索和577m的超长索)的减振仿真分析结果显示:自供电MR阻尼器具有广泛的适用性,对两根拉索都体现出良好的减振效果;只有当MR阻尼器与能量回收电机安装在不同位置时,自供电MR阻尼器才有望实现负刚度控制,从而体现出更优越的减振效果。
　　 (4)拓展了自供电MR阻尼器的应用范围,将其引入到隔震桥梁的减震控制。仿真分析结果表明:隔震桥梁减震的最优主动控制力主要表现为阻尼力;自供电MR阻尼器完全可以达到主动控制的减震效果,具有替代主动控制装置的潜力。
　　 (5)制作了质量为0.2kg的微型永磁式电涡流TMD,并对某大跨度人行桥开展了模型减振试验研究,阐明了电涡流阻尼的实现形式与TMD的减振机理;研制了适用于拱桥细长刚性吊杆风致振动控制的中型永磁式电涡流TMD,并实现了TMD刚度与阻尼的完全分离,且阻尼很容易地通过调整磁场间隙进行调节;建立了大吨位TMD电涡流阻尼的设计流程,其综合了电涡流阻尼的理论估算与磁场有限元磁路优化,并研制了面向人行桥实桥减振的竖向电涡流TMD样机;从经济性、耐久性两方面阐述了永磁式电涡流TMD的工程应用可行性。
　　 (6)应用提出的电涡流阻尼设计流程,研制了满足输电塔“简单可靠、耐久性高与免于维护”要求的大型双悬臂摆式电涡流TMD,并开展了其对足尺输电塔(高124.1m)一阶纵弯模态的现场减振试验。环境振动与断线冲击的测试结果均表明了安装TMD后输电塔一阶纵弯模态的阻尼比增加值可达0.03～0.04。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 结构振动控制概述

1.2.1 基础隔震

1.2.2 被动控制

1.2.3 主动控制

1.2.4 半主动控制

1.2.5 混合控制

1.3 结构振动控制若干问题研究现状

1.3.1 引言

1.3.2 基于能量回收技术的结构振动控制

1.3.3 斜拉索的振动控制

1.3.4 电涡流阻尼减振装置

1.3.5 高耸输电塔的振动控制

1.4 本文研究的目的、意义及来源

1.5 本文研究的主要内容

第2章 基于振动能量回收的自供电MR阻尼器集成

2.1 引言

2.2 振动能量回收及其装置

2.2.1 振动能量的概念

2.2.2 直线发电机

2.2.3 旋转式发电机

2.3 能量回收电机的选型与性能测试

2.3.1 电机选型

2.3.2 振动源为旋转运动的电机性能测试

2.3.3 振动源为直线运动的电机性能测试

2.4 自供电MR阻尼器系统构成及力学性能

2.4.1 基于能量回收的MR阻尼器智能减振系统

2.4.2 自供电MR阻尼器力学性能的试验研究

2.4.3 自供电MR阻尼器力学性能的数值模拟

2.5 自供电MR阻尼器被动控制的减振机理

2.5.1 速度反馈与离复位控制

2.5.2 局限性与对策

2.6 小结

第3章 自供电MR阻尼器对拉索减振的试验研究

3.1 引言

3.2 斜拉索振动控制试验

3.2.1 试验系统设计

3.2.2 试验工况

3.2.3 拉索等效模态阻尼比的识别方法

3.2.4 斜拉索的动力特性

3.3 试验结果与分析

3.3.1 MR阻尼器单独减振

3.3.2 发电机单独减振

3.3.3 MR阻尼器自供电减振

3.4 结构振动的负刚度控制

3.4.1 负刚度的定义

3.4.2 负刚度的作用

3.4.3 负刚度控制的实现

3.5 自供电MR阻尼器的负刚度特性

3.5.1 对拉索模态阻尼比的影响

3.5.2 产生机理

3.6 小结

第4章 自供电MR阻尼器对拉索减振的仿真分析

4.1 引言

4.2 斜拉索-阻尼器耦合系统的数值计算模型

4.2.1 运动方程

4.2.2 拉索基本参数

4.3 MR阻尼器的设计参数

4.3.1 拉索减振设计目标

4.3.2 考虑多阶模态优化的拉索被动粘滞阻尼

4.3.3 MR阻尼器基本参数

4.4 振动能量回收系统设计

4.4.1 电机性能参数

4.4.2 电机安装位置

4.4.3 直线-旋转运动的传动

4.5 拉索振动控制仿真分析仿真分析方法

4.5.2 控制效果评价指标

4.5.3 短索的分析结果

4.5.4 超长索的分析结果

4.5.5 对外供电MR阻尼器半主动控制的启示

4.6 小结

第5章 自供电MR阻尼器对隔震桥梁减震的仿真分析

5.1 引言

5.2 结构的简化分析模型

5.2.1 受控结构体系的运动方程

5.2.2 仿真分析参数

5.2.3 控制效果评价指标

5.3 主动控制

5.3.1 LQR经典最优控制

5.3.2 主动控制力的阻尼特性

5.4 自供电MR阻尼器控制系统设计

5.4.1 大吨位MR阻尼器

5.4.2 能量回收装置

5.4.3 自适应被动控制策略

5.5 仿真分析结果

5.5.1 仿真分析方法

5.5.2 外供电MR阻尼器被动控制

5.5.3 自供电MR阻尼器

5.5.4 控制效果对比

5.6 小结

第6章 永磁式电涡流TMD的阻尼设计与试验研究

6.1 引言

6.2 电涡流阻尼

6.2.1 原理

6.2.2 构造

6.3 微型永磁式电涡流TMD

6.3.1 工程背景

6.3.2 研制

6.3.3 性能测试

6.3.4 模型减振试验

6.4 中型永磁式电涡流TMD

6.4.1 工程背景

6.4.2 研制

6.4.3 性能测试与分析

6.5 大吨位永磁式电涡流TMD

6.5.1 工程背景

6.5.2 样机整体与概念设计

6.5.3 电涡流阻尼的磁路优化分析

6.5.4 电涡流阻尼的解析计算

6.5.5 样机性能测试

6.5.6 电涡流阻尼设计总结

6.6 永磁式电涡流TMD的工程应用可行性分析

6.6.1 经济性分析

6.6.2 耐久性分析

6.7 小结

第7章 永磁式电涡流TMD对高耸输电塔的减振研究

7.1 引言

7.2 输电塔减振方案设计

7.2.1 输电塔动力特性计算

7.2.2 TMD的参数设计

7.2.3 TMD减振效果的有限元仿真

7.3 双悬臂梁摆式电涡流TMD的研制

7.3.1 整体设计构思

7.3.2 电涡流阻尼设计

7.3.3 性能测试

7.3.4 工程可行性分析

7.4 输电塔减振试验

7.4.1 试验系统与方法

7.4.2 输电塔的动力特性测试

7.4.3 TMD的减振效果

7.5 摩擦与碰撞对TMD减振效果的影响

7.5.1 摩擦

7.5.2 碰撞

7.6 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文