基于PTMD原理的防振锤力学性能研究

摘要

输电线微风振动是其上下两侧产生的非对称排列的旋涡持续作用在输电线上的自然现象，而防振锤是控制微风振动的一种可靠有效且经济的消振装置。现有的防振锤主要通过调谐质量阻尼器的原理来控制振动，例如Stockbridge防振锤。同时，研究结果表明碰撞式阻尼器比非碰撞式阻尼器有着更优越的耗能能力，碰撞相比于非碰撞会额外产生冲击耗散，进而提高阻尼器的能量耗散。基于此思想，将碰撞引入到防振锤中，在传统的Stockbridge防振锤的基础上发展出碰撞式防振锤，并与非碰撞式防振锤进行对比研究，初步探究碰撞式防振锤的可行性和抑振效率。本文通过力学分析和样品试验研究了碰撞式防振锤的工作原理和工作性能，并与传统防振锤进行对比，初步探讨了钢绞线长度、碰撞距离、材料属性等参数对防振锤的耗能性能的影响规律。本文的研究工作主要包括以下几个部分：　　①非碰撞式防振锤与碰撞式防振锤的动力学方程推导。非碰撞式防振锤在不考虑钢绞线质量的假设下，采用拉格朗日能量法建立无阻尼自由振动方程；碰撞式防振锤基于碰撞理论，考虑其碰撞过程及钢绞线质量，将防振锤分离成钢绞线与质量锤两个独立的部分，分别采用有限单元法和达朗贝尔原理对钢绞线和质量锤建立动力学微分方程。　　②防振锤动力方程的数值求解。采用Newmark??法对所建立的动力微分方程进行数值求解，并将数值求解结果与试验结果进行了对比，证明了数值求解结果的正确性。基于动力微分方程，求解出非碰撞式防振锤的固有频率理论值，并与试验结果进行对比，结果较为吻合，分别验证了试验与数值求解的正确性。　　③非碰撞式防振锤与碰撞式防振锤的频率特性研究。对于两种防振锤进行了恒定振速的振动试验，分析了锤头位移随频率的变化特征，并与理论分析结果进行相互验证。同时还研究了钢绞线长度、碰撞距离、碰撞材料等参数对频率特性的影响。　　④非碰撞式防振锤与碰撞式防振锤的功率特性研究。在频率特性试验基础上完成了两类防振锤的激振测力试验，研究了两类防振锤的功率特性以及不同钢绞线长度、碰撞距离、材料属性对功率特性的影响。结果表明，碰撞式防振锤相比于非碰撞式防振锤在局部有效频率范围内有着更高的耗能能力，并在大部分频率范围表现更好，缺点则是在第一个波峰耗能的有效频率范围相对较小；第一波峰耗能功率受到钢绞线长度的影响略微显著，而在谷底耗能功率随钢绞线长度的增加而减少；合适的碰撞距离可以使得耗能功率最大化。功率耗能大小受到材料碰撞属性的影响较为显著，其耗能功率在恢复系数0.53到0.89区间内随恢复系数的减小而增大。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1.1 输电线的微风振动

1.2 非碰撞式阻尼器研究概况

1.2.1 典型的非碰撞式阻尼器——Stockbridge 阻尼器

1.2.2 非碰撞阻尼器研究方法

1.2.3 非碰撞阻尼器研究方向

1.3 碰撞式阻尼器研究概况

1.3.1 碰撞阻尼器与非碰撞阻尼器区别

1.3.2 碰撞阻尼器研究方法

1.3.3 碰撞阻尼器研究方向

1.4 本文研究内容

2 PTMD研究方法

2.1 引言

2.2 主流碰撞理论

2.2.1 线性粘弹性模型

2.2.2 非线性弹性模型

2.2.3 非线性粘弹性模型

2.3.1 动力微分方程求解方法分析

2.3.2 Newmark-β法

2.4 本章小结

3 防振锤系统力学模型

3.1 引言

3.2 传统防振锤力学模型的建立

3.2.1 传统防振锤基本状态

3.2.2 传统防振锤系统的自由振动方程

3.3.1 PTMD防振锤概况

3.3.2 基本假定

3.3.3 质量锤的运动状态

3.3.4 悬臂索的运动状态

3.3.5 受力状态

3.4 质量锤的推导

3.5.1 有限元方法简介

3.5.2 梁单元

3.5.3 质量矩阵

3.5.4 刚度矩阵

3.5.5 阻尼矩阵

3.6 数值求解程序

3.6.1 数值求解程序思路

3.6.2 碰撞过程的模拟方法

3.7 本章小结

4 防振锤频率特性试验研究

4.1 引言

4.2 频率特性试验原理

4.3 碰撞模型试验设计

4.3.1 试验仪器与布置位置

4.3.2 试验模型

4.3.3 试验工况设计

4.4 结果与讨论

4.4.1 数值计算响应与试验结果的对比

4.4.2 数值计算频率与试验结果的对比

4.4.3 钢绞线长度对频率的影响

4.4.4 碰撞距离对频率的影响

4.4.5 材料属性对频率的影响

4.5 本章小结

5 防振锤功率特性试验

5.1 引言

5.2 防振锤功率特性试验原理

5.3 碰撞模型功率特性试验设计

5.3.1 试验装置

5.3.2 试验模型

5.3.3 试验工况设计

5.4 结果和讨论

5.4.1 试验数据的验证

5.4.2 传统防振锤与新型防振锤的功率对比

5.4.3 钢绞线长度对功率的影响

5.4.4 碰撞距离对功率的影响

5.4.5 材料属性对功率的影响

5.5 本章小结

6 结论和展望

6.1 本文结论

6.2 本文创新点

6.3 研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士期间发表的主要学术论文

B. 学位论文数据集

致谢