粘弹性碰撞调谐质量阻尼器减振机理及优化设计研究

This research proposes a novel vibration control device, i.e., the pounding tuned mass damper, (PTMD). Compared with the traditional tuned mass damper (TMD), the PTMD is featured by the wider effective bandwidth and the improved vibration control effectiveness. However, there are still following limitations on the current research about the PTMD: (1) the pounding-based energy dissipation mechanism of the viscoelastic material is unclear; (2) the current pounding force model cannot consider the hysteretic characteristics of the viscoelastic material; (3) there is a lack of optimal design method for the PTMD damping system. Consequently, this research will conduct a thorough study focused on the shortcoming of the current research of the PTMD. Firstly, an experimental and numerical study of the viscoelastic material will be performed to investigate the influences of the key parameters on the pounding phenomenon and the energy dissipation ability. Then, an improved pounding force model will be proposed to consider the characteristics of the viscoelastic materials. A nonlinear vibration equation of the PTMD damping system will be established and solved. Afterward, the H∞ control theory will be introduced to propose a robust optimal design method for the PTMD damping system with uncertainties. An experimental study will also be carried out to validate the pounding force model and the optimal design method.

本项目提出了一种新型的粘弹性碰撞调谐质量阻尼器(Pounding Tuned Mass Damper, PTMD)。与传统调谐质量阻尼器相比，PTMD减振率更高，减振频带更宽。然而，对于PTMD的研究仍存在如下不足：(1)尚不明确粘弹性材料的碰撞耗能机理；(2)尚缺乏能够反映粘弹性材料滞回特性的碰撞力模型；(3)尚缺乏适用于PTMD减振体系的优化设计方法。本项目拟针对上述不足开展深入细致的研究。首先，改进粘弹性材料的碰撞试验装置，通过试验及仿真手段分析碰撞体质量、形状等关键参数对于粘弹性材料碰撞过程及耗能能力的影响。然后，提出适用于粘弹性材料的碰撞力模型，进而根据此模型建立粘弹性PTMD减振体系的数值分析方法，重点解决非线性方程的求解问题。之后，基于H∞控制理论提出能够考虑主结构和阻尼器参数不确定性的鲁棒性优化设计方法。最后通过振动台试验验证所提数值模型及优化设计方法。

粘弹性碰撞调谐质量阻尼器（pounding tuned mass damper, PTMD）是在传统调谐质量阻尼器（tuned mass damper, TMD）和碰撞阻尼器（impact damper）上发展出来的一种新型减振阻尼装置，具有原理明确、构造简单、安装方便、易于维护、减振效果好、鲁棒性强等诸多优势。本项目综合采用理论分析、数值模拟以及试验验证等方法，针对PTMD阻尼体系减振机理、优化设计方法等问题进行深入研究，主要工作及进展如下：（1）完成碰撞疲劳、低温作用、海水腐蚀等极端工况下粘弹性材料低速碰撞实验，得到了碰撞刚度、碰撞阻尼系数等关键参数演化规律。（2）改进了碰撞力模型，使其能够充分反映粘弹性材料的滞回特性，在此基础上使用APDL语言编写了PTMD减振系统工程实用仿真程序。（3）分析了不同激励模式下粘弹性 PTMD 的耗能模式，分析频率比、质量比、阻尼比及碰撞间隙等参数对减振效果的影响，提出了新型非对称碰撞调谐质量阻尼器及优化设计方法。（4）选取海洋立管、大跨越桥梁、大跨网架等典型工程结构作为受控主结构，验证新型粘弹性 PTMD 减振的有效性和优越性，同时验证理论分析及数学模型的准确性。（5）提出了基于Ontology平台的粘弹性碰撞阻尼减振体系评价方法与工程实用设计方法。通过本体描述语言OWL进行建模，建立涵盖失效风险所有概念集的知识体系，实现知识查询预测功能。通过SWRL语言规则算法和推理引擎实现立管风险分析，并通过语义的查询算法输出识别结果。（6）项目延伸提出了新型碰撞摆阻尼器，基于拉格朗日方程以及改进碰撞力模型得到结构—弹簧碰撞摆耦合体系运动方程，基于Simulink平台建立减振系统数值分析模型，探讨不同频率比、质量比及不同强度外荷载激励下减振效果。在数值分析基础上，还建立了双层框架缩尺模型，验证了不同地震激励下减振效果。