摘要：非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术旨在利用具有强非线性刚度特性的振子作为附加子结构,通...非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术旨在利用具有强非线性刚度特性的振子作为附加子结构,通过附加子结构与主结构产生的模态内共振行为来吸收并耗散主结构响应能量,由于内共振可在更宽的频域上产生,NES具有更好的吸振带和性能鲁棒性。本文研究含有负刚度特性的NES的作用机理及其内共振形式,运用复变量摄动法,分析负刚度NES的摄动解,从理论上对NES体系的内共振俘获行为进行研究论证,具体的创新点和工作内容包括:(1)研究负刚度NES无阻尼自由振动的内共振行为,分析内共振的摄动解,利用摄动解分析系统能量、负刚度项及正刚度对内共振规律的影响,结果表明:系统能量的增加会导致内共振形式向高阶跃迁,负刚度特性的增加会使内共振形式向低阶跃迁,且NES与主结构的1:3次谐波内共振是该系统较为活跃的内共振形式。(2)基于1:3内共振的摄动解对负刚度NES的优化参数进行分析,利用弹簧和空间磁力作用的组合,提出了几类具有负刚度特性的NES形式,对减震控制性能进行数值模拟,结果表明:负刚度NES减震控制性能全面优于立方非线性NES,对主结构动力特性变化以及地震动峰值变化的鲁棒性明显优于TMD与立方非线性NES。说明利用1:3内共振卓越的参数设计的负刚度NES具有较好的减震控制性能。(3)为了更进一步研究负刚度NES减震控制的工作机制,将结构体系的地震响应时程进行数值小波变换分析,结果表明,负刚度NES的内共振俘获行为主要依靠瞬时次谐波内共振俘获行为,相比TMD和立方非线性NES,这种行为能在更广的频域上产生,且持续时间更长。由于这种共振俘获行为对主结构的基频的改变并不敏感,使其具有更好的鲁棒性。更多还原显示全部
摘要：非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动...非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动控制技术,其控制原理是通过设置具有强非线性刚度特性的附加子结构,利用非线性系统所特有的模态内共振特性,使子结构对主结构的动力响应形成内共振俘获(Internal resonance capture)行为,大量吸收主结构响应能量并耗散掉。由于其控制原理不再局限于调谐作用,所以NES具有比TMD更可观的吸振带宽和性能鲁棒性。为研究新的具有强非线性回复力、且对结构地震响应具有更好控制效果的NES,本文提出设置含负刚度特性的NES来实现高效、被动的结构地震响应控制,通过数值模拟和振动台试验相结合的方法进行研究,具体的创新点和工作包括:(1)对非线性能量阱减震控制体系的数值算法进行研究,为NES的数值仿真提供算法上的支持。基于数值小波变换,研究构造响应能量功率谱的算法,为分析NES在宽频域上形成靶向能量传递的机理提供了一种简单有效的分析方法。(2)针对典型分析模型,分别对采用负刚度NES、立方NES和TMD控制方式的装置参数进行数值寻优,对各优化的减震控制性能进行比较分析。结果表明:负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。(3)为了深入分析负刚度NES的减震控制机理,应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱时频域分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,特别是其瞬时次谐波内共振俘获行为对主结构基频的改变并不敏感,使其减震控制性能具有强鲁棒性。(4)研究摩擦阻尼对负刚度NES减震控制性能的影响,包括体系质量比、地震动记录峰值以及摩擦系数的影响。结果表明:摩擦型负刚度NES的减震控制性能基本保持与粘滞型负刚度NES相当。体系质量比、地震动峰值、摩擦系数的合理选取可使摩擦型负刚度NES具有较好的减震控制性能。(5)研究附加碰振装置对负刚度NES减震控制性能的影响,包括对负刚度NES控制体系的地震响应和减震控制鲁棒性的影响,并分析不同碰振装置材料对碰振型负刚度NES减震性能的影响。结果表明:在最优参数控制下,附加碰振装置可提高负刚度NES的减震控制性能。(6)对负刚度NES装置模型进行设计制作,并分别对设置负刚度NES的单层和四层钢框架模型进行振动台试验。基于试验数据,对负刚度NES的减震控制性能及其影响因素进行分析。最后,通过试验结果与数值仿真的对比,验证理论分析的合理性。更多还原显示全部
摘要：非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动...非线性能量阱(Nonlinear energy sink,简称NES)技术是有别于传统质量调谐阻尼器(TMD)技术的附加子结构被动控制技术,其控制原理是通过设置具有强非线性刚度特性的附加子结构,利用非线性系统所特有的模态内共振特性,使子结构对主结构的动力响应形成内共振俘获(Internal resonance capture)行为,吸收主结构响应能量并耗散掉。NES既保持了被动式的特点,又具有拓展控制带宽、提高鲁棒性和控制效果的技术潜力,在土木建筑工程减震方面具有重要的研究与应用前景。为研究新的具有强非线性回复力特性、且具有更好减震控制性能的NES,本文提出双势阱磁力型NES来实现更为高效的结构地震响应被动控制,通过数值模拟和试验研究相结合的方法进行研究,具体的创新点和工作包括:(1)通过等效磁荷法建立矩形磁铁的磁力解析模型,获得两磁体间相互作用的非线性作用力解析表达式;利用永磁体间相互作用的本质非线性恢复力关系以及通过合理选择磁体的尺寸与布置形式,提出一种同时具有光滑负刚度特性与双势阱特性的新型非线性能量阱,双势阱磁力型非线性能量阱(Magnetic Bi-stable Nonlinear Energy Sink,简称磁力型NES)来实现结构地震响应控制。(2)针对典型分析模型,使用脉冲型荷载分别对磁力型NES、立方NES和TMD三种控制装置进行数值参数寻优,考察各优化的控制方式在减震性能上的差异。结果表明:与已有的立方NES相比,磁力型NES在减震控制性能上全面占优;与TMD相比,磁力型NES在对主结构动力特性变化的鲁棒性上优于TMD,在对地震动峰值变化的鲁棒性上与TMD相当。(3)应用数值小波变换构造功率谱,从时频域上分析磁力型NES的减震控制机理,分析结果表明,在地震作用过程中,磁力型NES总体上可对主结构产生更为显著、更为持续的宽频域内共振行为,以此该装置可发挥出较好的减震性能。这种宽频内共振特性,特别是其瞬时次谐波内共振的俘获行为对主结构基频的改变并不敏感,故其减震控制性能具有强鲁棒性。(4)研究摩擦阻尼对磁力型NES减震控制性能的影响,包括地震动记录峰值以及摩擦系数的影响。结果表明:摩擦磁力型NES在减震控制性能上基本保持与粘滞磁力型NES相当。地震动峰值与摩擦系数在一定变化范围内,摩擦磁力型NES仍保持较好的减震控制性能,具有较好的鲁棒性。(5)以广州新电视塔作为工程案例,研究广州塔结构采用磁力型NES在短、长周期地震动作用下的响应特性,并构造其响应过程的小波功率谱,综合分析地震动周期对超高耸结构采用磁力型NES的时频影响规律。结果表明:长周期地震动显著增加了超高耸结构的响应,最优参数设计的磁力型NES对短周期、长周期地震响应均起减震控制作用,控制性能对地震动卓越周期的变化具有良好的鲁棒性。(6)设计制作了磁力型NES装置模型,对装置模型进行往复性能试验和参数相关性试验研究,应用数值识别技术修正理论模型误差。在此基础上,进行磁力型NES减震控制体系的模型振动台试验研究,结果表明,数值仿真与试验结果两者吻合度较高,数值模拟仿真的精确性以及理论分析的合理性得到验证;在模型实际参数与理论设计值存在偏差的情况下,磁力型NES依然发挥出良好的减震控制性能,有着较强的鲁棒性。更多还原显示全部
摘要：针对非线性能量阱(Nonlinear energy sink,NES)的关键设计参数寻优问题提出改进的模拟退火(Simulated annea...针对非线性能量阱(Nonlinear energy sink,NES)的关键设计参数寻优问题提出改进的模拟退火(Simulated annealing,SA)优化算法,以两阶段算法流程对SA算法冷却进度表的初始温度、降温因子进行训练,得出更适合NES优化问题中SA算法的冷却进度表。解决NES设计参数大空间寻优过程中迭代收敛缓慢、易于陷入局部最优的问题,首先插值构造NES的设计参数小空间,进行快速穷举寻优,获得解空间初步特性和第二阶段大空间SA过程的参数初值,借此训练更为高效的SA参数,并设置目标控制阈值以大幅降低陷入局部最优的风险,进而使改进SA收敛过程稳定高效地获得NES减震控制体系参数全设计空间的数值最优解。基于改进的SA算法上,对如下几类非线性能量阱减震控制体系进行了优化分析:(1)首先,对单自由度布置负刚度NES控制系统在脉冲的激励下,对其关键参数使用改进的SA算法进行参数优化,并与传统SA算法进行比较分析,得出改进的SA算法在收敛性能与对全局最优解的搜索能力均比传统SA算法好。其次,在优化的基础上进一步分析其在脉冲和地震荷载两类不同激励的减振性能,与I型NES、TMD相比,数值显示负刚度NES总体减振性能更佳,尤其是当主结构特性改变时,其控制效果更为明显。最后对两自由度被控主结构在地震加速度波激励下优化的参数进行不同地震波激励的减震性能分析,依然得出类似的结果;(2)对于20层Benchmark模型,负刚度NES在主结构刚度发生变化时,其对主结构的控制效果有良好的表现,而TMD在地震加速度波峰值发生变化时,其控制效果不受影响。为综合两种控制装置优点,提出负刚度NES与TMD联合控制装置。对于此并联的联合控制装置,需要优化的参数更多,优化解空间更大,使用改进的SA算法对其进行参数优化,并揭示了并联控制策略同时具备负刚度NES与TMD的优势,即在刚度鲁棒性与地震波峰值鲁棒性上均有良好的控制性能,同时也验证了改进SA算法的有效性;(3)对碰振NES模型,提出改进的碰振NES形式,进而对其进行力学模型的数值建模、优化参数与地震激励波的设计,并使用改进的SA进行对改进碰振NES的关键参数进行优化。对四层框架主结构顶层分别布置不同质量比的改进的碰振NES,评价指标的分析显示改进的碰振NES对主结构有一定的控制效果,并揭示了改进的碰振NES比改进前的碰振NES减震效果更佳。更多还原显示全部
