一种压电式调谐质量率无关阻尼器及其参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种压电式调谐质量率无关阻尼器及其参数设计方法，相比传统的调谐质量阻尼器，对阻尼器中原有的线性粘滞阻尼元件进行了替换，将其改变为率无关线性阻尼元件，从而提供独立于振动频率的阻尼力。并且进一步地，在进行了阻尼元件的替换后，为了使压电式调谐质量率无关阻尼器对结构在地震荷载激励下的位移响应控制效果达到最优，本发明专利技术基于主结构和地面运动位移传递函数，以主结构位移峰值响应取最小值为目标，提出了压电式调谐质量率无关阻尼器的参数优化设计方法。率无关阻尼器的参数优化设计方法。率无关阻尼器的参数优化设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种压电式调谐质量率无关阻尼器及其参数设计方法


[0001]本专利技术涉及阻尼器
，具体涉及一种压电式调谐质量率无关阻尼器及其设计方法领域。

技术介绍

[0002]目前传统的调谐质量阻尼器在运行环境发生变化时，很容易发生失谐效应。而在失谐效应的影响下，传统的调谐质量阻尼器对外部激励频率的变化就不具有充分的鲁棒性，会导致阻尼器无法正常工作。一旦调谐质量阻尼器失谐，就需要停止运行阻尼器进行调整，也会导致阻尼器不能正常工作。因此，当需要受控的主结构为长周期结构，且受到的激励频带较宽时，调谐质量阻尼器不一定能满足结构振动控制的需求。另外，调谐质量阻尼器虽然在结构振动控制上已经是一项很成熟的技术，但阻尼器和主结构的相对位移，即阻尼器行程是调谐质量阻尼器的一个缺陷。调谐质量阻尼器的行程一般较大，这就导致在安装阻尼器时需要在阻尼器和主结构之间留有较大的距离以免阻尼器在运行过程中和主结构发生碰撞。

技术实现思路

[0003]为了解决以上问题，本专利技术提供了一种压电式调谐质量率无关阻尼器(Tuned Mass Rate
‑
i ndependent Damper，TMRD),相比传统的调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD),对阻尼器中原有的线性粘滞阻尼元件进行了替换，将其改变为率无关线性阻尼(Rate
‑
i ndependent L i near Dampi ng，RLD)元件。两种阻尼的区别在于，在复刚度中，线性粘滞阻尼的虚部是与激励频率成正比的，而率无关线性阻尼则具有常虚部。因此，率无关线性阻尼可以提供独立于振动频率的阻尼力。
[0004]并且进一步地，为了使压电式调谐质量率无关阻尼器对结构在地震荷载激励下的位移响应控制效果达到最优，本专利技术基于主结构和地面运动位移传递函数，以主结构位移峰值响应取最小值为目标，提出了压电式调谐质量率无关阻尼器的参数优化设计方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种压电式调谐质量率无关阻尼器，包括质量块、滚轮、弹簧、阻尼元件，所述弹簧的两端及所述阻尼元件的两端均分别与所述质量块和主结构相连，所述质量块通过所述滚轮与所述主结构相连；
[0007]所述阻尼元件为率无关线性阻尼元件，所述率无关线性阻尼元件提供的阻尼力与激励频率无关；
[0008]所述压电式调谐质量率无关阻尼器的参数通过定点理论获得，所述参数为所述调谐质量率无关阻尼器的最优刚度和最优阻尼比。
[0009]进一步地，所述主结构为建筑楼层结构，包含楼板、柱、墙，所述激励频率为外部地震激励频率。
[0010]进一步地，所述阻尼元件为一种半主动滚珠压电摩擦阻尼器，包括摩擦板、上钢
板、下钢板、互相接触的高强螺栓和压电驱动器，其中，所述压电驱动器和所述摩擦板之间设置有滚珠；所述上钢板设置在所述摩擦板上且环绕所述压电驱动器；所述摩擦板设置在所述下钢板上；
[0011]所述半主动滚珠压电摩擦阻尼器还包括作动杆和固定杆，所述摩擦板在水平方向上一端与所述作动杆连接，另一端与所述固定杆连接。所述压电驱动器为弛豫铁电体压电驱动器。
[0012]进一步地，所述定点理论包括以下两个条件：
[0013]|X/X0|
‑
γ曲线经过两个定点，在两定点处|X/X0|的值相等；
[0014]在两个定点处，|X/X0|的值达到最大值；
[0015]其中，所述最优阻尼比为利用所述定点理论对目标函数R
d
进行优化得到，所述目标函数R
d
为主结构位移和地面运动位移振幅比的平方。
[0016]进一步地，所述目标函数R
d
由如下公式得到：
[0017]系统动力学方程为:
[0018][0019]其中，x＝Xe
iωt
为所述主结构位移，x0＝X0e
iωt
为所述地面运动位移，x
d
＝X
d
e
iωt
为所述阻尼器位移，ω为所述激励频率,X、X0、X
d
分别为所述主结构位移振幅、所述地面运动位移振幅、所述阻尼器位移振幅，m
d
、m分别为所述阻尼器、所述主结构的质量，k
d
、k分别为所述阻尼器、所述主结构的刚度，F
d
为率无关阻尼力；
[0020]其中，所述率无关阻尼力在频域下的表达式为:
[0021]F
d
＝2iξk
d
sgn(ω)(X
d
‑
X)e
jωt
[0022]其中，sgn(ω)为符号函数，ξ为所述阻尼器的阻尼比；
[0023]根据所述系统动力学方程和所述率无关阻尼力在频域下的表达式，得到所述系统动力学方程在频域下的表达式:
[0024][0025]由所述系统动力学方程在频域下的表达式，得到所述主结构位移和所述地面运动位移的振幅比X/X0:
[0026][0027]由所述振幅比X/X0变形得到所述目标函数，即所述主结构位移和所述地面运动位移振幅比的平方R
d
如下：
[0028][0029]其中，μ＝m
d
/m，β＝ω
d
/ω0，γ＝ω/ω0，所述主结构的频率所述阻尼器的频率α＝ξsgn(ω)。
[0030]进一步地，所述参数通过如下方式获得：应用所述定点理论的第一个条件，得到所述调谐质量率无关阻尼器与所述主结构的最优频率比：
[0031][0032]由所述最优频率比，得到所述压电式调谐质量率无关阻尼器的最优刚度：
[0033]k
dopt
＝m
d
(β
opt
·
ω0)2[0034]利用第二个条件，结合所述最优频率比，得到所述调谐质量率无关阻尼器在定点A和B处的最优阻尼比分别为：
[0035][0036][0037]所述压电式调谐质量率无关阻尼器的最优阻尼比为对两定点A和B处分别得到的最优阻尼比取平方平均数得到：
[0038][0039]第二方面，本申请实施例提供了一种压电式调谐质量率无关阻尼器的参数设计方法，包括：
[0040]S101、基于所述压电式调谐质量率无关阻尼器的概念模型，建立系统的动力学方程：
[0041][0042]其中，x＝Xe
iωt
为主结构位移，x0＝X0e
iωt
为地面运动位移，x
d
＝X
d
e
iωt
为阻尼器位移；ω为激励频率；X、X0、X
d
分别为主结构位移振幅、地面运动位移振幅、阻尼器位移振幅，m
d
、m分别为阻尼器、主结构的质量，k
d
、k分别为阻尼器、主本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电式调谐质量率无关阻尼器，其特征在于，包括质量块(1)、滚轮(2)、弹簧(3)、阻尼元件(4)，所述弹簧(3)的两端及所述阻尼元件(4)的两端均分别与所述质量块(1)和主结构(5)相连，所述质量块(1)通过所述滚轮(2)与所述主结构(5)相连；所述阻尼元件(4)为率无关线性阻尼元件，所述率无关线性阻尼元件提供的阻尼力与激励频率无关；所述压电式调谐质量率无关阻尼器的参数通过定点理论获得，所述参数为所述压电式调谐质量率无关阻尼器的最优刚度和最优阻尼比。2.根据权利要求1所述的压电式调谐质量率无关阻尼器，其特征在于，所述主结构(5)为建筑楼层结构，包含楼板、柱、墙，所述激励频率为外部地震激励频率。3.根据权利要求1所述的压电式调谐质量率无关阻尼器，其特征在于，所述阻尼元件(4)为一种半主动滚珠压电摩擦阻尼器，包括摩擦板(4
‑
9)、上钢板(4
‑
7)、下钢板(4
‑
14)、互相接触的高强螺栓(4
‑
5)和压电驱动器(4
‑
6)，其中，所述压电驱动器(4
‑
6)和所述摩擦板(4
‑
9)之间设置有滚珠(4
‑
8)；所述上钢板(4
‑
7)设置在所述摩擦板(4
‑
9)上且环绕所述压电驱动器(4
‑
6)；所述摩擦板(4
‑
9)设置在所述下钢板(4
‑
14)上；所述半主动滚珠压电摩擦阻尼器还包括作动杆(4
‑
3)和固定杆(4
‑
4)，所述摩擦板(4
‑
9)在水平方向上一端与所述作动杆(4
‑
3)连接，另一端与所述固定杆(4
‑
4)连接。所述压电驱动器(4
‑
6)为弛豫铁电体压电驱动器。4.根据权利要求1所述的压电式调谐质量率无关阻尼器，其特征在于，所述定点理论包括以下两个条件：|X/X0|
‑
γ曲线经过两个定点，在两定点处|X/X0|的值相等；在两个定点处，|X/X0|的值达到最大值；其中，所述最优刚度和所述最优阻尼比为利用所述定点理论对目标函数R
d
进行优化得到，所述目标函数R
d
为所述主结构的位移和地面运动位移振幅比的平方。5.根据权利要求4所述的压电式调谐质量率无关阻尼器，其特征在于，所述目标函数R
d
由如下公式得到：系统动力学方程为:其中，x＝Xe
iωt
为所述主结构位移，x0＝X0e
iωt
为所述地面运动位移，x
d
＝X
d
e
iωt
为所述阻尼器位移，ω为所述激励频率,X、X0、X
d
分别为所述主结构位移振幅、所述地面运动位移振幅、所述阻尼器位移振幅，m
d
、m分别为所述阻尼器、所述主结构的质量，k
d
、k分别为所述阻尼器、所述主结构的刚度，F
d
为率无关阻尼力；其中，所述率无关阻尼力在频域下的表达式为:F
d
＝2iξk
d
sgn(ω)(X
d
‑
X)e
jωt
其中，sgn(ω)为符号函数，ξ为所述阻尼器的阻尼比；根据所述系统动力学方程和所述率无关阻尼力在频域下的表达式，得到所述系统动力学方程在频域下的表达式:
由所述系统动力学方程在频域下的表达式，得到所述主结构位移和所述地面运动位移的振幅比X/X0:由所述振幅比X/X0变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁顺，蒋浚启，罗浩，朱宏平，吴俐滢，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：