冲击和振动

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特殊的问题

基于振动信号的智能故障诊断分析

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研究文章|开放获取

体积 2016年 |文章的ID 8021690 | https://doi.org/10.1155/2016/8021690

张Jingcai》雪,他剑,Chunwei张, 控制性能和鲁棒性的调谐质量阻尼器减振的应用结构”,冲击和振动, 卷。2016年, 文章的ID8021690, 15 页面, 2016年 https://doi.org/10.1155/2016/8021690

控制性能和鲁棒性的调谐质量阻尼器减振的应用结构

学术编辑器:机械连接的歌
收到了 2016年8月31日
接受 2016年10月27日
发表 2016年12月13日

文摘

探讨控制性能的调谐质量阻尼器(PTMD)在减少应用的动态响应(单自由度)结构。以离岸jacket-type平台为例,最优阻尼比和质量块之间的差距,提出了粘弹性材料取决于参数的研究。控制效率受到材料属性和几何图形联系PTMD分析,以及设备的鲁棒性。数值模拟的结果表明,振动满意的缓解和健壮性可以通过优化设计PTMD。对比PTMD与传统TMD演示PTMD的优势,不仅在振动抑制和成本,还在有效的频率带宽。

1。介绍

离岸平台是必不可少的设备对海洋石油开发工程造价高,而且可能导致严重的伤害当受到地震的影响1,2]。因此,一个有效的减振海上平台解决方案是必要的。调谐质量阻尼器(TMD)是一种传统的控制装置安装在海上平台来减少地震振动响应。【et al。3)第一次调查地震反应的海上平台与TMD和表明,TMD能有效地降低地震振动。自那时以来,许多研究都集中在战区导弹防御系统上的应用程序平台。例如,吴等人的研究(4]TMD的高反应性能表明,TMD可以显著降低的振动平台和一个显著的降低了功率谱密度。

然而,在利用结构振动控制tmd有几个缺点。首先,大多数TMD的设备需要调整的第一固有频率的主要结构,以获得更好的控制性能。一旦激发频率偏离第一固有频率,TMD的减振将大幅减少,甚至造成可怕的副作用。此时,尽管额外的阻尼器附加TMD可以抑制副作用,它是昂贵的,将导致浪费空间由于大质量块的运动。

为了避免上述缺点,实现令人满意的振动控制性能,许多新的分析技术应用于提高战区导弹防御系统。Almazan et al。5)提出了一个双向和齐次调谐质量阻尼器(BH-TMD)被动振动控制。实验和数值模拟结果表明修改后的TMD系统在传统的优越性。概念系统半活性调谐质量阻尼器(STMD)与可变阻尼系数和刚度值提出了崔氏et al。6]。太阳和Nagarajaiah [7)提出了一种新的算法对STMD调整阻尼系数不同的激发。Jafarabad et al。8)安装了一个混合阻尼系统来控制包含的地震振动摩擦阻尼装置(FDD)和一个调谐质量阻尼器(TMD)。Mohebbi et al。9]分析了最优参数的多个调谐质量阻尼器(mtmd减)对不同地震激励下设计标准。

尽管前新的分析技术,提出了一些新的控制设备平台。霍和李10)开发了一种环形调液柱阻尼器(CTLCD)控制平台的扭转在地震荷载作用下的反应。李et al。(11]研究表明,满意的缓解振动可以通过一个新的形状记忆合金(SMA)阻尼器。Ou et al。12)提出了阻尼隔振系统是由橡胶轴承和粘滞阻尼器控制振动。Komachi et al。13)应用摩擦阻尼器设备钢质导管架平台位于一个活跃区,调查受地震激励时的性能。穆萨维et al。14,15]采用调谐液柱气挡板(TLCGD)压制地震振动和获得最佳几何参数的一个平台。Sarrafan et al。16)提出了一个智能非线性neurofuzzy磁流变(MR)阻尼器系统控制策略以调整为不同励磁的控制力量。Lotfollahi-Yaghin et al。17)验证了地震控制性能调谐液体阻尼器(TLD)典型的离岸jacket-type平台兴奋的埃尔森特罗,科比,塔巴地震。

重击调谐质量阻尼器(PTMD)提出了结合传统的TMD和冲击效应由张et al。18]。Zhang et al。18- - - - - -22]研究PTMD在输电塔的振动控制性能和水下跳投,以及交通信号。很少有结果显示PTMD在海上平台的性能。

本文以离岸夹克平台为例,控制性能和鲁棒性的PTMD减振应用结构分析探讨地震控制性能。不同参数的影响进行了讨论,包括阻尼比、质量块和粘弹性层,差距接触几何图形,健壮性和粘弹性性质。此外,对比PTMD与传统TMD提出验证PTMD的优点。

2。PTMD与粘弹性层的示意图

作为一个改善TMD, PTMD由两部分组成:传统的TMD和分层粘弹性材料的限制。质量块之间的缝隙和粘弹性材料如图保留1。当质量块之间的相对运动发生和粘弹性层没有冲击效应,PTMD充当TMD。否则,质量块将影响粘弹性层,这将产生冲击力量作为额外的控制效果,和能源会在冲击过程中消散。这个设备最引人注目的优势之一是,控制力量不仅来自共振也打击力量在影响。

3所示。建模

3.1。系统的建模

作为一种广泛使用的平台在中国渤海,JZ20-2MUQ海上夹克平台中扮演一个重要的角色在石油领域的复苏。平台由三个部分组成:原有框架对于生活,工作的事件框架,夹克。你等的研究(23)表明,该平台可以简化为一个自由度(应用)结构的质量上季以来占主导地位的整个结构。图2显示了JZ20-2MUQ海上夹克平台和简化模型。给出了基本参数表1基于你等的研究。


测试1 测试2

真正的平台
0.90 0.85 4.0 - -5.5 3127年
简化模型 ⋅年代−1 ⋅(m⋅年代−1)
0.87 93436年 1367年 3127000

3.2。系统的动力学方程

PTMD控制的应用结构的示意图如图3,系统的运动方程可以表示为 在哪里 分别主要结构和PTMD质量。 , , 加速度、速度和位移的主要结构。 , , 加速度、速度和位移的PTMD。 分别是刚度的主要结构和PTMD。 分别是刚度的主要结构和PTMD。 是力量的冲击碰撞引起的质量块和粘弹性层。 是Havsid函数 在哪里 代表PTMD之间的相对位移和主结构和计算(3)。 质量块之间的差距和粘弹性层。因此, 在哪里 是外力的振幅;为了简化计算过程,

3.3。建模的力
3.3.1。两种类型的接触几何图形重击力表达式

4(a)是一个质量块的素描与球头平面重击,这将在稍后使用本文模拟振动PTMD的性能。图4(b)显示列的端面跳动的飞机,将计算的比较,讨论影响接触几何图形。力的冲击可以计算(4根据接触力学()24]: 在哪里 半球的半径或终止圆平面的列。 米。 是渗透位移。 等效弹性模量,可以得到下面的表达式: 在哪里 , , , 泊松比和弹性模量对聚合物和钢铁,分别。在聚合物的情况下接触钢铁、钢的弹性模量远远大于聚合物,和的表达 可以简化如下:

根据粘弹性对应原理,重击力表达式可以推导出拉普拉斯逆变换(4)和(6):

线性粘弹性材料, 多项式的参数 他们可以自动计算作为一个传递函数与不同的MATLAB / Simulink仿真的初始值。

4所示。参数研究

PTMD获得最优参数设置,PTMD的阻尼比,差距质量块和粘弹性层,接触几何图形和粘弹性属性将在本节中讨论。除非另有指示,粘弹性材料的本构参数摘要如表所示2。和 , , 是弹簧参数和粘弹性材料的阻尼器参数为3参数模型在图吗4(c)。


C/ kN⋅(m⋅s−1)


相比较而言,最优的性能给出了TMD基于Ioi和Ikeda的研究(25),可以表示为最优频率和阻尼比 在哪里 对TMD最优频率和阻尼比, 质量比, 主要结构的阻尼比。

4.1。阻尼比

为了说明参数的影响更准确和有效,无量纲方法应用于数据分析: 在哪里 是质量块之间的差距和粘弹性材料。 是无量纲的差距, 是静态位移的主要结构。 正弦波的振幅是应用系统的输入,然后呢 是结构刚度的主要结构。被定义为的频率比 是一个正弦波的程度指数偏离固有频率,然后呢 代表了正弦波频率和固有频率的主要结构,分别。

动态放大系数,定义为 在(11),介绍了评估控制设备的性能。此外,质量比为2.0%在工程实践是最常见的选择。因此, 在哪里 的峰值位移稳定状态受到正弦波激励。无量纲位移和加速度的主要结构,命名 分别可以计算如下: 在哪里 是一级结构的位移在激发和 二阶导数的吗

阻尼比的PTMD,定义为 可以计算的 在哪里 是PTMD的阻尼系数和圆频率, 是平台的质量, 质量比。因此,我们可以得出这样的结论:只有在案件 是PTMD无阻尼。

5说明了之间的关系 不同阻尼比的相对频率域。它可以看到从图5(一个)一个无阻尼PTMD结构有明显的放大反应。例如,最大的价值 是28.3的PTMD什么时候 等于2,它几乎是TMD控制的三倍。在这种情况下,PTMD不宜作为振动控制设备。

阻尼振动控制装置可以有效地消除放大效应( )。图5 (c)显示性能的PTMD与不同缺口当最优阻尼器参数。尽管振动控制性能比TMD当PTMD要好得多 变化从0.9到1.3,有一个明显的逆效应主要结构响应的PTMD情况 小于0.9。这意味着最优阻尼比基于TMD不再适用于PTMD由于冲击的影响。

从数据5 (b)- - - - - -5 (e), 随着阻尼系数的增加,从0到 当缺口值是一个常数。作为 PTMD表明,TMD相比更卓越的性能此外, 上升随着差距的增加在这种情况下,这意味着在减振影响发挥了积极作用。

然而,图5 (f)表明,结构振动更严重的 比有差距,是相同的 。此外,PTMD显示了一个贫穷的性能比TMD 等于10。在这种情况下,虽然一个附加阻尼器可以提高PTMD的效率,过度阻尼比可能会导致相反的效果。

从数据5(一个)- - - - - -5 (f),我们可以获得一个最优阻尼比的最佳性能PTMD在这种情况下:

4.2。差距的影响

从能量的观点来看,能源可以消散TMD或PTMD,阻尼器的质量块之间的影响过程以及粘弹性材料。PTMD一小缺口意味着质量将影响粘弹性材料更严重和频繁。在一个极端的例子,足够大的差距,影响不会发生和PTMD变成传统的TMD。

5清楚地显示足够的差距是一个不可或缺的无阻尼PTMD避免影响造成的不利影响。量化PTMD的能量耗散,均方根(RMS)的位移和加速度的主结构被定义为(14)。较小的RMS意味着更多的能量消散或改变阻尼器。因此,

6情节的变化趋势 随着无量纲的差距。在这种情况下, 质量比为2% 是时间历史记录中的值的数量。

它可以看到从图6这两个的 减少的增加 并最终趋于一个常数低频率的正弦波激励下( 是0.7和0.8)。考虑到PTMD将退化TMD在RMS转向一个常数,对PTMD影响有负面影响在这种情况下的表现。这意味着需要低频激励有很大的差距。

然而,对于相对高频激励 高于0.9,两者兼而有之 增加的上升无量纲的差距。一个最佳间隙值将避免负面影响和正面影响最大化。这总是需要PTMD由于地震的随机性和种类。从图6可选的无量纲的差距 本文对海上夹克平台2。

4.3。材料特性

粘弹性材料层的属性在PTMD会给不同的减振效果。很明显,与更高的材料 能引起更大的冲击力量在同样的情况下,这可能会加强控制力量和获得更多的动量交换过程中产生影响。A和B两个额外的材料,命名类型(见表3),连同前材料表2利用调查PTMD材料特性的影响。结果见图7


ID类型 C/ kN⋅(m⋅s−1)

一个 2.041E6 2.041E6 3.9E5 1.08E6
B 2.041E7 2.041E7 3.9E6 1.08E7

7 (b)显示时间的历史的无量纲位移平台控制的PTMD与不同材料的 。可以看出,在这种情况下,更高的等效弹性模量可以提高控制性能。然而,在图7(一)对应的情况 ,表明等效弹性模量有一个相反的效果导致贫穷的控制结果。比较数据7(一)7 (b)高的,我们可以得出结论,一个材料等效弹性模量可以提高效率,当激励的频率高于一级结构的固有频率。否则,它将削弱减振。

4.4。接触几何图形

作为PTMD控制不可或缺的一部分力量,打击力不仅取决于材料性能也碰撞体的几何形状。图8说明了该平台的响应控制的PTMD与两种类型的接触几何图形,如图4(一)和4(b)。材料计算在这篇文章中,一个更好的性能可以通过球头比一架飞机。但差异还原两种类型的接触几何图形之间的不超过7%的峰值和有效值。型材料表中给出3几乎没有区别,两种几何图形。它可以得出的结论是,接触的几何属性有点影响PTMD的性能。

5。鲁棒性的PTMD

调优的固有频率主要结构是传统的TMD设计最重要的目的。然而,很难准确测量结构的固有频率。该平台的主要结构固有频率并不是一个常数由于操作环境负荷,如水深和设备更换,这将导致PTMD的鲁棒性。调谐正弦振动的影响,解谐振动和自由振动将调查研究PTMD的鲁棒性。

量化最优频率之间的偏差程度和调谐频率TMD和PTMD解谐比率(DTR)定义如下: 在哪里 PTMD或TMD的频率 是最优频率表示的(8)。

5.1。调整激励振动

0.74赫兹频率对应的价值 去谐的比率和1.00 Hz对应于15%。无量纲位移 在稳定状态下可以达到32.8结构没有控制一样大。然而,对于一个安装PTMD,最大 可以有限低于2.5和3.4对应0.74赫兹和1.00赫兹。换句话说, 可以大幅减少89.6%和74.9%,分别。

仿真结果图9(一个)说明PTMD有效即使没有优化,证明了其良好的性能和鲁棒性。相同的反应去谐比TMD呈现在图9 (b)和最大的价值 可以减少到15.4和12.7,这对应于分别减少53.0%和61.3%。这个验证PTMD传统的TMD在这种情况下,性能优越。

5.2。自由振动

10显示了主要结构的自由振动响应,当无量纲初始位移 = 40。这表明位移响应快速阻尼频率0.74赫兹和1.00 Hz PTMD控制图10 ()。的峰值 在22.4秒减少80%如果1.00赫兹PTMD安装。当谈到0.74赫兹,15秒的持续时间将会下降。

作为比较,TMD的控制性能相同的解谐比率是绘制在图10 (b)。要花63.7秒和61.3秒减少最大位移为0.74赫兹8毫米和1.00赫兹,分别。这是近三倍PTMD在0.74赫兹和1.00赫兹TMD的四倍。仿真结果表明PTMD能更有效地抑制振动和能量消散,显示良好的适应能力和强鲁棒性。

5.3。去谐激振

控制性能评价的PTMD自由振动激励下,四个减振率 , , , 被定义为(16)。战区导弹防御系统, , , , 有类似的定义:

11演示了减少峰值之间的关系和DTR当主结构采用一系列解谐的正弦波。从数据(11日)11 (d),我们可以看到性能将保持在所需的水平几乎没有影响的DTR,以防受到uptuned正弦波励磁( )。

在图(11日)PTMD显示了优良的性能,减少的82.5%左右 只有微小的恶化和DTR增加。为 ,减少几乎保持为常量的值减少了50.5%和33.8%,分别。downtuned情况下( ),DTR的值有显著的影响减少。在的情况下 大幅减少,减少与DTR从58.7%到2.3% 到20%。在的情况下 ,它将从28.9%下降到0近线性关系。

从图11 (c),减振PTMD均方根位移变化从72.8%到82.0%的 和变化在48.4%和56.1%之间 等于1.1。这几乎是一样的最大减少值在图(11日)。然而,PTMD显示一个相对贫穷的性能的值 等于1.2。虽然减少30.2%,PTMD很少当DTR工作 在这种情况下。此外,减少从57.2%大幅减少 等于0.9,也有类似的趋势图吗(11日)。在的情况下 ,减少- DTR不同 到20%。这意味着PTMD对振动控制性能有不利影响。

数据11 (b)11 (d)显示TMD的控制性能。可以看出,TMD结构进行调整时有效激发( )尤其是当TMD调谐(DTR = 0)。然而,TMD的表现并不稳定PTMD受到激发。例如,的价值 调谐TMD是66.2%,但只有25.8% downtuned TMD(对应于DTR = )。

作为改善TMD, PTMD抗震减振机制主要包括两个部分:一方面,控制力量来自于质量块和初级结构之间的相对运动,这是最重要的传统的TMD的还原机制。另一方面,打击力引起的影响可以被视为一个额外的控制力作为缓冲器,能量的消散在质量块之间的影响和粘弹性材料。当调波( )输入到系统中,可以实现足够的相对运动,减少PTMD与TMD显示令人满意的结果。

然而,减少TMD减少由于戏剧性的下降在相对运动控制平台是根据解谐激励( )。作为证据图所示11 (c), 从66.22%降低到26.2% 改变从1到1.1。不像TMD, PTMD显示了结构性能优越,即使是去谐波。这是因为控制力量的影响是相当大的和高冲击过程中能量耗散发生,即使在相对运动是非常小的。作为一个比较结果如图(11日)的价值, 对于一个调谐PTMD下降从84.3%降至58.3% 改变从1到1.1。啤酒解谐地震效应的比例( ), 转向对TMD 32.5%到13.4%。

6。对比PTMD与TMD最优参数

6.1。减振

还原反应的变化PTMD和TMD受到不同频率正弦波形绘制在图12

的加速度(数字12(一个)12 (b)),传统的TMD可以显著降低峰值和RMS当地震频率调谐到固有频率( ),分别可达到71.7%和63.1%。然而,更高的比率减少85.8%和80.6%可以通过PTMD,这显示了一个比TMD更好的控制性能。当地震效应偏离原始结构的固有频率( ),更出色的效果也可以获得PTMD平均高出14% TMD对峰值加速度减少(图12(一个))。

加速度的均方根,TMD的减振率是-当 变化从0.78到0.91,从1.09到1.16(图12 (b))。这意味着TMD放大海上夹克平台的振动响应,不推荐,这时,TMD的主要结构。相比之下,PTMD保持一个优秀的性能在所有频率范围的比率。

的位移(数字12 (c)12 (d)),更优越的PTMD也通过减少。峰值和有效值的无量纲位移时可以减少了86.6%和84.5% 。减少高于战区导弹防御系统,其相应的减少71.5%和64.9%。此外,更有效的表现观察PTMD在大多数情况下除外 这对RMS范围从0.7到0.8。分析结果说明这一事实,在几乎所有情况下,PTMD远比TMD对振动控制性能更有效。

6.2。有效的频率带宽

达到最好的振动控制效果,正弦波的频率时,必须限制在一定范围内配备了TMD结构。一般来说,振动控制技术经常失败当外加负载的频率偏离结构频率超过10%。鉴于地震的随机性波动,这种技术有其自身的局限性不可避免。量化的有效带宽TMD和PTMD, 被定义为在以下方程: 在哪里 所需的控制减振率和吗 是两个频率响应。 措施,TMD的频率范围或PTMD可以满足给定的需求。和更大的价值 更广泛的有效频率带宽。换句话说,一个控制装置与一个更广泛的带宽自适应在地震控制得多。

数据1314说明了比较有效的带宽PTMD与TMD在给定的要求。很明显,PTMD加速度(图显示了一个更广泛的带宽13(图)和位移14)比TMD控制减振率所需的相同。此外,它可以观察到从图14有效带宽的PTMD扩大大约两倍TMD均方根位移。

峰值的位移如图(14日),PTMD仍有明显的优势。当需求减少10%,峰值的位移值是TMD的PTMD 0.67和0.47。这种差异是最接近设备之间的差距。否则,PTMD减少近两倍,TMD。

的加速度,PTMD性能优越了传统的TMD在峰值(图(14日)),在RMS(图14 (b))。当目标位移峰值的70%,带宽只有0.032,这意味着TMD只允许的地震效应偏离1.6%调正弦波自减少几乎是中心对称的 (图12)。换句话说,该设备几乎是无用的,因为它几乎是不可能的结构调整地震效应。但对于PTMD,带宽是0.122。即使对较低的要求,30%的值 分别是0.347和0.174的PTMD和TMD。而言, ,他们是0.330和0.179 PTMD与TMD。带宽的结果表明,PTMD可以应用到不同的地震模式。

6.3。成本和安装空间

超级大国连续阻尼器工作需要配备TMD由于大质量块和连续的运动。除了高成本,一个巨大的空间安装主要需要实现令人满意的控制效果。

(15日)介绍了峰值的无量纲质量块在不同荷载下的位移。为TMD的最大价值可能多达50.3 PTMD虽然只有12.4。TMD迅速减少的价值,但它是较小的PTMD在频域。因此,质量块的运动是显著降低由于限幅器,这意味着可以彻底丢弃额外的阻尼器的成本。

相对位移的定义是 在以下方程: 在哪里 是无量纲位移值主要结构和质量块,分别。 代表了最小安装空间要求。图15 (b)说明了之间的关系 不同的控制技术。它可以观察到,至少无因次空间的最小值是42.8,必须提供TMD运动。但对于PTMD,值是5.9,这是只有13.7%的战区导弹防御系统。

7所示。结论

应用结构简化从JZ20-2MUQ类型海上夹克平台为例探讨地震PTMD的控制性能和鲁棒性。可以得到以下结论:(1)PTMD阻尼比是非常重要的。尽管一个额外的PTMD阻尼器将提高效率,一个超过阻尼比可能产生相反的效果。和最优阻尼比基于TMD不再适用于PTMD由于影响效果。PTMD最优阻尼系数值是TMD的3倍。(2)质量块之间的差距和粘弹性层减振是另一个关键因素。因为可能有不良影响控制性能的影响受到低频激励平台时,应保留适当的差距。(3)控制性能的PTMD敏感材料的属性。等效弹性模量较高的材料可以提高效率,当激励频率高于一级结构的固有频率。否则,它将削弱减振。但接触几何图形对PTMD减振的影响甚微。(4)调整激励振动、解谐振动和自由振动存在研究PTMD的鲁棒性。仿真结果显示更多优秀的振动减轻比TMD在所有情况下。对比PTMD的优点和传统的TMD验证PTMD不仅在振动抑制和成本,而且在有效的频率带宽。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

支持的研究是由中国国家自然科学基金(项目号。51678322和51678322),黑龙江省自然科学基金(E2015047 E2015045),中央大学的基础研究基金(HEUCF160202),和泰山学者小组项目由山东省重点学科人才。

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