文摘

调谐质量阻尼器(TMD)可以应用于抑制地震、风、和行人,machine-induced厂房或大跨度结构的振动。然而,传统的TMD与一个固定的频率将无法执行有效地在多个危害对频率的变化。提出了一种frequency-adjustable调谐质量阻尼器(FATMD)来解决当前TMD的这个限制。本文中给出的FATMD由支撑梁组成的一个简单的组装质量,FATMD的频率的改变通过调整梁的跨度。运动学方程的一个自由度(应用)结构安装一个FATMD建立分析阻尼比的影响,质量比和刚度减振。FATMD的基本频率在不同跨度由仿真和实验验证。受迫振动实验不同的激励频率也进行了验证FATMD的性能。FATMD提出的结果表明,可以有效地抑制结构的垂直振动在不同激励频率,包括一系列频率高于传统的TMD可能无法抑制。此外,提出FATMD是应用于大跨度人行天桥振动经常由于行人的行走,自动扶梯的运行,和地震。数值结果表明,FATMD可以有效地减少人行天桥的垂直振动荷载下的行人、自动扶梯,地震。

1。介绍

机械自动化的快速发展引发了越来越多的大型设备在工厂和大跨度结构的建设。厂房和大跨度结构通常房子大功率设备,它可以产生强烈的振动,会影响周围结构的完整性。如果结构振动超过一定水平,这些都会影响其他设备的功能和性能在建筑1,2]。振动也会导致降低水平的安慰工作人员(3,4]。在极端情况下,振动甚至可以造成结构性损伤(5]。有许多方法来降低结构的振动在舒适的水平。一种方法是增加结构的刚度,从而提高结构的固有频率,将它从它可以很容易地达到的范围6,7]。王等人。8)加强楼板和二次梁增加地板的固有频率,从而减少地板振动引起的麦麸终结者和面粉净化器。然而,增加刚度可能浪费材料的性能,可以变得昂贵。另一种方法是利用振动控制技术。自振动控制的概念第一次被提出的姚明(9]1972年,大量的振动控制技术已经开发和应用于增强功能和结构的安全。李等人。10)利用多个粘弹性阻尼器抑制微振引起的在地板上自动引导车辆在薄膜晶体管液晶显示器工厂。阻尼器有效地抑制振动的动态响应所需的标准水平。Zordan et al。11)提出了一个活跃的微型机械振动隔离器隔离高频机械振动在低压环境中,适用于或作为敏感电子包装和微机电系统(MEMS)。Setareh et al。12)提出了一种摆调谐质量阻尼器来控制建筑楼层的过度振动。

作为一个最受欢迎的和灵活的振动控制设备,调谐质量阻尼器(TMD)拥有一组简单的优点,有效的振动抑制,不需要(也就是一个能源来源。、被动控制)。战区导弹防御系统被广泛应用在工程社区,如在旧金山的公寓大厦和纽约花旗集团的建筑。太阳et al。13]分析了tmd的振动控制效果安装在重庆桥梁在台风Chan-hom和tmd的有效性和能力在范围广泛的风力条件下抑制振动。Caetano et al。14,15)评估的效率横向和垂直tmd在葡萄牙佩德罗e Ines人行桥。Carpineto et al。16)模拟悬架人行天桥的动力响应和没有多个tmd pedestrian-induced荷载下(mtmd减)。仿真表明mtmd减能有效减少悬架人行天桥的振动。考虑不确定性的结构参数和设计MTMD减,Vellar et al。17)提出了一种新的方法同时优化参数和位置的mtmd减可能受到地震的建筑。他们提出的方法应用于10层楼的大楼来确认其有效性。伊莱亚斯et al。18)应用不同的战区导弹防御系统计划减少风和地震作用下的结构动力学,发现,重要的目的反应控制、分布式TMD与平等的刚度比相比同等质量。Gerges和维克瑞19]证明了优势钢丝绳弹簧TMD在普通TMD和验证了新TMD通过振动台的振动控制性能测试。他等。20.)设置tmd在小屋抑制大型振动位移引起的负载从海上漂浮的风力涡轮机,这常常面临严酷的海洋环境。研究人员还模拟了风力发电机的动态响应有或没有不同组合下tmd风和波浪载荷。他们的分析表明,tmd可以有效降低振动响应海上漂浮的风力涡轮机。吴et al。21)提出了一种磁TMD是可靠和健壮的控制结构的振动。Bakre和Jangid22]推导最佳TMD系统参数附加到主要粘性阻尼系统。TMD是能够针对不同的激励和响应参数的组合。康和彭23)确定最优参数对大质量比tmd受到谐波负载和随机的,平稳白噪声载荷和研究大质量比tmd的控制效果。陆et al。24)提出了一种粒子TMD和评估其阻尼性能通过基准高层建筑气动弹性风洞试验。结果表明,粒子TMD可以有效地抑制结构的风致振动。陆et al。25)评估的有效性涡流TMD (EC-TMD)抑制结构的振动通过振动台试验,结果表明,EC-TMD可以有效地减少位移响应,加速度响应,interstory漂移率,列在不同地震作用下的最大应变。Zhang et al。26)提出了一个冲击TMD (PTMD)和数值模拟的PTMD 55米塔模型验证的有效性TMD的冲击。结果表明,PTMD能够抑制振动比正常TMD更快更强烈。雪et al。27)检查应用程序的PTMD减少海上jacket-type平台的振动和显示PTMD表现优于传统的TMD所需的频率带宽。他等。28)提出了TMD波兰人和扭转钟摆(TMDPP)。TMDPP可以同时控制转化反应和不对称结构的扭转角。桑托斯et al。29日)测试了TMD控制系统来减少过度的振动在商业建筑在巴西利亚体育馆的地板上,巴西。阮(30.)优化对称TMD的参数使用一种分析方法,认为特定振动持续时间和稳定的标准。Tarng et al。31日)安装刀具上的惯性压电致动器,可抑制振动,提高切削稳定操作。杨et al。32)设计和优化mtmd减增加喋喋不休机床结构的阻力。

然而,传统的TMD的主要缺点是,如果TMD是固有频率失谐形式,振动控制性能可能发生的重大损失。因此,传统的TMD与一个固定的频率不能执行有效对抗频率变化多种危害。为了克服这一问题,提出了许多半活性或活性的方法。Chang et al。33]报道的使用可调,垂直移动TMD (VTMD)抑制machine-induced垂直振动的结构。Abdel-Rohman et al。34)研究时间延迟的影响性能的半活性TMD,提出两种方法来弥补时间延迟,确保振动抑制效果。江和Hanagan35)提出了一种半活性可变阻尼TMD (SAVDTMD)压电摩擦阻尼器作为替代现有的方法来控制地板的振动,尤其是行人交通引起的振动。Esteki et al。36]描述了使用磁流变液相半活性TMD抑制层钢架建筑的地震反应在温哥华。新的半活性抑制结构振动更有效地比典型的被动TMD。Nagarajaiah et al。37,38)开发了一种半活性或智能TMD (STMD)使用半活性变刚度系统,这是健壮的对主机结构的固有频率的变化自从STMD总是调谐。瑞安et al。39)提出了一种自适应被动阻尼器和实验的有效性通过实验进行验证。结果表明,自适应吸收器能够达到25分贝衰减振动的模型构建。孔特雷拉斯et al。40,41)提出了一种自适应长摆智能TMD (ALP-STMD)时不变的固有频率。他们通过实验验证的能力ALP-STMD充分控制结构系统。类似设备应用对桥梁振动控制(42]。施等。43)提出了一种自动调节变质量TMD (SAVM-TMD)和实验验证不同的行人荷载下的有效性。结果表明,SAVM-TMD能够抑制行人振动比正常的战区导弹防御系统。Venanzi et al。44)提出了一个活跃的TMD减轻高层建筑风致振动和主动TMD的数量和位置进行了优化。拉赫曼et al。45]调查10层楼的建筑的抗震性能,并演示了使用多个自适应效率的TMD抑制seismic-induced结构振动。

传统的TMD是一种频率敏感的控制装置。因此,潜在的意想不到的解谐TMD的固有频率是一个传统的TMD的主要缺点。当TMD的频率不匹配与主机的频率结构,TMD可以遭受重大损失的振动控制性能。振动频率的结构经常是不同的退化结构参数在多个危险场景,要求TMD的频率应该很容易调到更好的应对这一变化。TMD的固有频率决定部分的刚度,而在当前的战区导弹防御系统,通常是由弹簧提供。弹簧的刚度难以精确确定由于制造过程中不可避免的错误,因此,很难保证的具体频率振动控制系统。因此,TMD通常是通过改变系统的质量调整后,春天是捏造的。然而,这样做就意味着有一个非常狭窄的设置TMD的频率调谐范围。此外,传统的TMD是只有适合减轻低频振动和控制高频振动的问题通常由机械设备。为了克服这些问题,frequency-adjustable调谐质量阻尼器(FATMD)提出了这项研究。 The FATMD utilizes a beam instead of a spring to provide the stiffness to the control device and can effectively suppress high-frequency vibrations. The frequency of the FATMD can be adjusted by adjusting the span of the beam. In this paper, the kinematic equations of the structure with a FATMD are established to analyze the effect of damping ratio, mass ratio, and stiffness on its ability to dampen vibrations. Subsequently, the fundamental frequencies of the FATMD with different adjusted spans are verified by simulation and experiments. To verify the vibration suppression performance of the FATMD, the FATMD is subjected to forced vibrations at different excitation frequencies.

2。的FATMD

FATMD的示意图如图1。FATMD包括一个易于实现的底板,垂直列,加权钢板,一束。如图1 (b)列的基座(3)之间的螺栓底部板(1)和压盘(2)。在列固定之前,梁的跨度(6)可以调节移动列的基座(3)沿底板的长度(1),从而允许连续调整FATMD的固有频率。光束(6)安装在由列的长方形平台(3),并通过螺栓固定列紧固件(7)。加权盒(4)固定在梁(6)通过一组紧固件。光束之间夹(6)加权盒(4)和紧固件,和梁之间的垫片放置和加权盒防止加权箱滑动沿着梁的轴。螺栓孔将直级距,垂直于轴向的方向。加权盒(4)可以精确调整梁的长度,以避免任何偏心引起的FATMD重量箱。平衡钢板(5)挂在加权框,因此,减少FATMD的足迹。的频率可以精确调整FATMD改变板的质量。

3所示。控制方程的应用与FATMD结构

TMD是最早的被动控制装置用于结构振动控制中。主要外部激励下结构振动时,TMD控制系统驱动振动的结构。然后,相对运动产生的惯性力的TMD对结构的运动和行为,因此,可以减少结构的动态响应。为了说明工作原理,一个自由度(SODF)主要结构安装FATMD见图2,在那里米₁,c₁,k₁分别是质量、阻尼和刚度的应用结构。米₂,c₂,k₂的质量、阻尼和刚度FATMD,分别。

根据达朗贝尔原理,应用结构的运动方程与FATMD如下: 在哪里x₁, ,和的位移、速度和加速度的结构相对于地面,分别。x₂, ,和的位移、速度和加速度的FATMD相对于地面,分别。

可以解决方程表达形式的传递函数。因此,应用拉普拉斯变换后, 在哪里年代代表了拉普拉斯变换后的独立变量的原始功能。

方程(5)的组织结构如下: 在哪里ω₁和ξ₁分别是结构的频率和阻尼比。μ的比例是TMD的质量结构的总质量。

因此,整个主结构传递函数如下:

4所示。FATMD的参数分析

前一节中考虑加上一个FATMD(图的应用结构2)作为分析模型,建立了整个系统的控制方程。在本节中,参数分析系统在正弦激励下提供验证的影响参数FATMD有效性,这对设计FATMD可以提供有用的信息。FATMD如下的参数基于实用性:(1)λ:FATMD的频率比结构的基本频率(2)μ:FATMD的质量比结构的总质量(3)ξ:FATMD的阻尼比

如图3的对数幅频特性曲线绘制结构有或没有FATMD不同的值λ当μ= 0.01。曲线可以解释的趋势变化对结构响应的振幅在不同的频率。通过比较控制和控制结构振动的振幅,有人指出的振动结构可以有效地减少FATMD。当外部激励的频率是15.7赫兹,结构没有控制的振动的峰值是由于共振。FATMD稳定之间的振动抑制效果λ= 0.9 - -1.1,λ= 1.0是一个相对最优值根据曲线。此外,振动的抑制效果FATMD时明显的频率FATMD与激发频率匹配。

在图4,系统的对数幅频特性曲线绘制不同的值μ当λ= 1.0。七个曲线的比较有和没有控制显示明显的振动FATMD的缓解效果。通过增加FATMD的质量,FATMD扩大的有效带宽和结构振动的振动抑制效果也增加。此外,在图5,系统的对数幅频特性曲线绘制不同的值ξ当λ= 1.0,μ= 0.01。图表明,阻尼比越大,较弱的减振效果FATMD。因此,阻尼比FATMD应该最小化的情况下,激励的频率偏离的结构之一。

5。FATMD的振动控制实验

5.1。实验装置

验证的振动抑制性能FATMD, FATMD和结构受到强迫振动在不同激励频率。主要结构是一个模型钢地板高四钢腿。钢地板的大小为100×20×1.5厘米。结构是40厘米的高度,结构的总重量是32.52公斤。结构的固有频率为25.8赫兹。如图6FATMD主要由底板、垂直列,钢的体重,和梁,类似于示意图如图1。梁是钢管的长度1米、厚1毫米钢墙。两种不同直径的钢管检测验证实验。一个管道线内半径为5毫米,和另一条线内半径6毫米。橡胶垫圈安装柱和梁防止梁之间的轴向滑动平台和紧固件的列。大量的0.5公斤是固定中间的梁和FATMD的频率可以调整通过改变质量。

如图7振动器是安装在底部的主要结构和用于激发测试期间的垂直振动的主要结构。瓶(模型:JZK-20)可以控制信号发生器和可以持续输出正弦信号的频率在1 - 10000赫兹之间。没有任何负载,最大位移是10毫米,最大输出力为200 N。两个加速度计(模型:兰斯LC0101)安装测量绝对加速度。是固定在一个主要结构,另一种是固定到FATMD。使用收集的数据采集设备(模型:倪6366)连接到一台笔记本电脑安装与虚拟仪器。

证明FATMD的频率可调,FATMD的一阶频率来衡量不同跨度下敲门方法(46]。然后,FATMD与强迫振动测试在不同激励频率和配置。应用激励的方向是垂直的。结构的振动和FATMD也垂直。

5.2。实验结果

的一阶频率FATMD不同调整跨度绘制数据8和9,频率表中列出的值1。l是FATMD梁跨度的长度。数据显示,FATMD的频率降低时,梁跨度增加。如表所示1,当光束半径(r5毫米和0.5米的跨度,FATMD的一阶频率是38赫兹。当梁的跨度增加1米,FATMD的一阶频率为17.3赫兹。如表所示1,当光束的半径是6毫米和0.5米的跨度,FATMD的一阶频率为42.7赫兹。当梁的跨度增加1米,FATMD的一阶频率为20.1赫兹。因此,数据表明,通过改变梁的跨度,FATMD的频率可以调整。

评估的振动控制性能FATMD,减振率(J)被定义为描述方程(8)。 在哪里一个₁和一个₀结构的最大垂直加速度和没有FATMD,分别。

如图10的垂直加速度主要结构和没有FATMD绘制测试激励频率与时间。表2列表FATMD的减振率在不同激励频率。在实验中,跨度是调整FATMD的频率与激发频率匹配。当激励频率和FATMD都是26.5赫兹,FATMD的减振率是96.1%,从而有效地抑制结构的强迫振动。如数据所示10 (g)- - - - - -10 (n),FATMD仍然可以有效地抑制结构振动在其他高频励磁。例如,当激励频率增加到38.0赫兹,减振率是64.7%。在情况外部激励的频率或结构变化,梁跨度可以改变调整的频率相应FATMD保持高效的振动抑制。

6。振动控制与FATMD大跨度人行天桥

有一个人行天桥在沈阳,中国,49米的跨度。桥的主要结构是一个单拱桥钢箱梁两端与简单的支持。桥的桥面宽度为3米,桥的线密度是1.179136公斤/ m。梁截面的惯性矩是0.0694米⁴,弹性模量是200 GPa。垂直方向上的结构的第一频率是2.2赫兹,接近一个行人步行。因此,大型振动可以觉得当人们走过这座桥。此外,运行的自动扶梯连接桥的桥也可以激发振动。由于行人的步行桥的振动和运行的自动扶梯可以引起人们的不安在桥上,甚至造成结构的疲劳损伤。上安装一个FATMD中跨的人行天桥,以减少垂直振动荷载下的行人,自动扶梯,地震。如图11,FATMD可以安装在人行天桥的护栏,这将不会影响到桥梁的正常使用。的总质量的比例FATMD的桥是2%。考虑到平衡的钢板FATMD相对比较大,梁的刚度和跨度FATMD应设计合理。

图12显示了人行天桥的简化分析模型与FATMD安装。与FATMD桥的运动方程如下: EI桥的抗弯刚度。桥的线密度。米,c,k的质量、阻尼和刚度FATMD,分别。y垂直方向的位移是桥梁。y₀的垂直位移中跨桥。y₁是FATMD在垂直方向的位移。F是外部激励。f是由FATMD控制结构上的力。

根据模态分析方法,桥的纵向响应可以表示如下: 在哪里Y_n(t)是广义坐标;ϕ_n(x)是模式的功能。

因此,与FATMD桥的运动方程可以简化如下: 在哪里

根据Poovarodom等的研究。47),人群的影响可以转化为动态人行天桥上的负载集中力桥中跨的如下: 在哪里W是在桥上行人的平均体重和摘要作为700 N;n_p是走在桥上的人数同时,和最大值可以基于桥面的面积约265;和f_p是人行荷载的频率。

桥的纵向响应和没有FATMD计算不同频率下的行人负载。FATMD的频率设置为匹配的激励频率。图13显示加速度时间历史下的桥中跨人行荷载的频率是2.2赫兹。前10 s桥人行荷载下的受迫振动,最后5 s是桥的自由振动。可以看出FATMD可以有效地减少强迫和桥的自由振动。图14显示了桥的加速度包络图。对比两条曲线揭示了明显的振动的缓解效果FATMD峰值加速度的整个桥。表3列出了桥梁的动态响应有或没有行人的不同频率下FATMD负载。结果表明,FATMD可以有效地抑制的最大响应桥人行荷载的不同频率下,特别是在2.2赫兹的激励频率,在减振率超过75%。

根据设计的代码的antimicrovibration多层工厂(GB 50190 - 93)48),自动扶梯的干扰力可以计算如下: 在哪里米₀自动扶梯的总质量;e₀是偏心;和ω₀是自动扶梯的工作圆频率。

在本节中,生成的外部激励的频率自动扶梯是21赫兹和激励的振幅为3216.3 N。FATMD的频率设置为匹配的激励频率。图15显示了时间的历史中跨的垂直加速度的作用下自动扶梯的桥梁。图16显示了桥的加速度包络图。结果表明,FATMD可以有效地减少桥的垂直振动。峰值加速度的减振率是70.4%。

此外,桥的纵向响应和没有FATMD计算在三个不同的地震记录(表4),包括帝王谷的地震,神户地震,博雷戈地震。FATMD的频率设置为桥梁的固有频率相匹配。峰值地面加速度(PGA)的地震记录,分别调整为0.2克。图17显示了时间的历史在桥的跨中垂直加速度三个地震。表5列出了桥梁的动态响应和没有FATMD在不同地震。结果表明,FATMD可以有效地抑制垂直加速度和位移下的桥中跨的三个地震。

7所示。结论

在这篇文章中,一个FATMD组成的一个简单的支持梁质量提出了抑制高频振动可以由重型机械。受迫振动实验进行验证FATMD的振动抑制能力。数值和实验分析验证,FATMD的固有频率可以调整,FATMD频率随梁跨度的增加而减小。FATMD可以有效降低结构在不同的测试高频振动。FATMD稳定之间的振动抑制效果λ= 0.9 - -1.1,λ= 1.0是一个相对最优值根据曲线。的振动控制效果FATMD增加而增加质量比和阻尼比下降。此外,FATMD是一个容易组装结构,可以快速调整不同的固有频率,从而使FATMD是简单的使用比正常TMD。FATMD的人行天桥的数值结果表明,FATMD显著影响减少人行天桥的振动激励下的行人、自动扶梯,地震。

然而,梁需要保持其弹性范围FATMD是有效的,这限制了允许范围的刚度FATMD可以调整。因此,FATMD可能失谐下高强度作用,和其有效性可能显著退化。在未来工作,提出FATMD将优化设计来改善其振动控制性能。多个FATMDs将数值和实验研究了结构的振动控制的考虑多种危害,包括机器——行人、地震和风致振动。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的部分中国自然科学基金一般项目(批准号51578114)。