电磁谐振式惯质阻尼器的减振机理及自供能半主动控制研究

In recent 10 years, the inerter-based dampers have been developed rapidly in civil engineering for vibration suppression and base isolation, which present a good vibration damping. The proposal proposes a novel electromagnetic shunt inerter damper (EMSID) coupled of a traditional electromagnetic damper, an inerter and a resonant shunt circuit RLC. It functions the triple composite damping performance with the electromagnetic energy dissipation, inertance and electronic tuning. Further, the semi-active control module will be integrated to realize the self powered semi-active control strategy of the damper. The electromechanical coupling characteristics between the rotation inertia force of the inerter and electromagnetic electric power are studied to building the fine dynamics model of the EMSID. The multi-objective optimized parameters of the inertance, the frequency ratio of resonance circuit, as well as the best damping performance and energy collection of the EMSID are researched to reveal the essence of the vibration mitigation of the damper appearing electromagnetic energy dissipation, inertance and electronic tuning. The multi-objective control algorithms considering the structural response and energy collection are furthermore investigated. Experimental tests of a tree reduced-scale structure on the shaking table, and field tests of the cable-stayed cable are executed to evaluate the composite vibration damping performance of the self powered semi-active control of EMSID. Finally, the damping mechanism and technologies of the damper are developed. The results will advance the basic science aspects and applications of the disaster prevention and mitigation of civil engineering.

近10年来，基于Inerter概念的阻尼器在土木工程减振/隔震方面迅速发展，并呈现了良好的减振效果。本项目在传统电磁阻尼器基础上，引入惯质概念与谐振电路RLC，提出具有电磁耗能、惯质、调谐三重复合减振性能的电磁谐振式惯质阻尼器（EMSID）；进一步集成半主动控制模块，实现该阻尼器的自供能半主动控制策略。研究惯质单元旋转惯性力与电磁电动势力之间的机电耦合作用特性，建立EMSID的精细化动力学模型；研究EMSID惯质系数、谐振电路频率以及最佳减振性能和能量收集之间的多目标参数优化，揭示EMSID的电磁耗能、惯质、调谐的减振影响本质；研究结构响应和能量收集的多目标控制算法，开展三层缩尺结构振动台试验和斜拉索现场试验，评估EMSID自供能半主动控制复合减振性能，形成自身能量供应的EMSID减振理论与技术。本项目研究成果，将为土木工程防灾减灾领域提供先进有效的方法，具有重要的理论意义和实用价值。

土木工程结构在强风、地震、波浪等外部因素作用下，容易产生大幅振动，影响结构的安全和舒适性，减振阻尼器是减轻或抑制因动力荷载所引起的结构响应的有效措施。然而，现有阻尼器不同程度存在一些不足，如TMD减振调谐受限易谐振失调、粘滞阻尼器漏油、粘弹性阻尼器易老化等。.本项目在传统电磁阻尼器基础上，提出一种新型电磁惯质阻尼器装置，实现以较小自振重量获得较大“虚质量”的效果，同时在电磁阻尼元件终端引入谐振电路RLC，形成具有电磁耗能、惯质、调谐三重复合减振性能的电磁谐振式惯质阻尼器（EMSID），一方面有效提升结构减振控制的性能，另一方面，利用捕获的能量实现自供能半主动振动控制所需的电源。.本项目的主要研究内容包括EMSID的精细化动力学模型建立、EMSID惯质系数、谐振电路频率以及最佳减振性能和能量收集之间的多目标参数优化研究、结构响应和能量收集的多目标控制算法研究。.在四年期的项目执行过程中，根据项目研究计划，项目组成员紧密围绕EMSID的动力学模型、基于主结构响应和能量收集的多目标优化自适应控制策略两个关键科学问题开展了理论分析与试验研究，主要取得了如下成果。首先，研发了一套基于电磁惯质阻尼器单元和谐振电路RLC并进而集成自供能半主动控制模块的EMSID；然后，建立了EMSID的动力学模型；第三，优化获得了EMSID的最优参数；第四，提出了EMSID的自供能半主动控制算法与控制策略；第五，开展了基于实验室平台的EMSID试验研究；最后，进行了斜拉桥拉索EMSID减振现场试验。本项目研究成果，将为土木工程防灾减灾领域提供先进有效的方法，具有重要的理论意义和实用价值。.在本项目资助下，已发表论文14篇，其中SCI 6篇、EI 5篇，获授权专利8项，培养硕士研究生4人。项目主持人获湖南省技术发明三等奖一项（2/6），获湖南省“芙蓉学者奖励计划” 青年学者、湖南省杰出青年科学基金资助。