多重调谐质量阻尼器参数优化的一种改进算法及其应用_汪正兴

专利名称：一种低频质量调谐减振装置及其调节方法
专利类型：发明专利
发明人：汪正兴,王波,田启贤,童智洋,柴小鹏,王翔,尹红,刘鹏飞,荆国强,伊建军,王艳芬,张华兵,李裕生
申请号：CN201410006898.3
申请日：20140107
公开号：CN103758028A
公开日：
20140430
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种低频质量调谐减振装置及其调节方法，涉及大跨度桥梁结构的振动控制领域，转动轴架设于支座上，转动轴通过轴承垂直连接一根杠杆，杠杆的一端设置质量块，所述频率调节弹簧、阻尼器分别连接杠杆和支座，每对弹簧机构均套设于转动轴，且对称设置于所述杠杆两侧，每个弹簧机构的远端平面涡卷弹簧和近端平面涡卷弹簧旋向相同且相互平行，转动轴的一端设置蜗轮蜗杆机构。

转动蜗轮蜗杆机构，移动频率调节弹簧的位置，使本减振装置的频率为设定值。

本发明的目的在于提供一种低频质量调谐减振装置及其调节方法，其能够实现受控频率较低的大跨度桥梁的振动控制。

申请人：中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司,中铁大桥局集团有限公司
地址：430000 湖北省武汉市建设大道103号
国籍：CN
代理机构：北京捷诚信通专利事务所(普通合伙)
更多信息请下载全文后查看。

汪正兴:“桥梁医生”的担当作者：王博来源：《湖北政协》 2019年第4期创新桥梁抗震减振技术,优化结构检测监测技术,汪正兴团队肩负着“桥梁医生”的重责,不断追逐着让桥梁更安全更健康的梦想。

2019年1月,汪正兴参与完成的“长大跨桥梁安全诊断评估与区域精准探伤技术”荣获2018年度国家技术发明奖二等奖。

以柔克刚,创新桥梁抗震减振技术一座桥梁从设计到施工完成,每一个环节都容不得半点差错,桥梁结构安全更是重中之重。

如何让承载了火车、汽车的桥梁稳如磐石,如何将地震、台风等自然灾害对桥梁的威胁降到最低,创新更经济更高效的桥梁抗震减振技术,一直是汪正兴团队的不懈追求。

为了避免大桥因“硬碰硬”而损毁,需要将阻尼器装上大桥,相当于给大桥装上安全带,有效缓冲地震与台风的力量,让大桥更加稳定更加长寿。

多年来,汪正兴带领团队对桥梁结构计算、荷载试验、仿真分析、旧桥评估等领域进行深入研究,带领研究团队自主开发出一系列应用于桥梁结构、建筑结构的抗震减振技术与产品,研究成果已成功应用于数十座跨江跨海大桥的振动控制中,取得了显著的社会经济效益,在桥梁减振领域处于国际领先水平。

桥梁竖向位移测试系统、索力测试系统、调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、调谐液体质量阻尼器(TLMD)、粘性剪切阻尼器(VSD)、杠杆质量阻尼器(LMD)、新型液压阻尼器(FVD)……每个新产品都是一项技术创新,这一项项创新的背后源自汪正兴对桥梁事业近乎痴迷的热爱。

“桥梁医生”的听诊技术相较于桥梁设计者,汪正兴团队更像“桥梁医生”,依靠精湛的定位、确诊、治疗手段,及时恢复桥梁组织的机体健康。

“桥梁医生”不仅要有专业知识和经验,还得依靠特殊的仪器和技术,如同听诊一样,其中一项技术就是竖向位移测量技术。

据了解,桥梁、隧道和路基的竖向位移,是其运行状况和工作性能的重要参数指标之一,位移值的测量要十分准确、及时、可靠。

过去采用的百(千)分表、水准仪等传统的位移测量方法属于短期的人工测量,存在耗时耗力、实时性不强等短板。

新型摆式调谐质量阻尼器在桥梁工程上的应用吕江;汪正兴;李东超;朱世峰【摘要】飞云江五桥主桥采用H形截面吊杆,其吊杆空气动力学性能较差,容易引起风致振动.为避免风致振动导致吊杆疲劳破坏,影响结构及运营安全,为其设计并安装了新型摆式调谐质量阻尼器(PTMD),采用电涡流耗能提供阻尼力.阻尼器参数设计时,采用目标函数以吊杆抑振效果为主,同时兼顾阻尼器位移响应的优化算法,避免阻尼器构件疲劳损坏,影响长期减振效果.测试结果表明,该新型PTMD用于抑制吊杆的风致振动效果明显,同时能够为吊杆提供长期有效的减振保障.【期刊名称】《交通科技》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】3页(P67-69)【关键词】摆式调谐质量阻尼器(PTMD);电涡流阻尼;拱桥吊杆;振动控制【作者】吕江;汪正兴;李东超;朱世峰【作者单位】中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034;桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034;中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034;桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034;中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034;桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034;中铁大桥科学研究院有限公司武汉430034;桥梁结构健康与安全国家重点实验室武汉430034【正文语种】中文调谐质量阻尼器(TMD)作为被动吸能减振装置的一种，具有设计简单，使用可靠，后期维护方便等优点，在高耸结构和大跨度桥梁的振动控制中应用广泛[1]。

TMD 一般由调谐频率的弹性元件、阻尼元件和质量块三大部分构成，其中TMD阻尼元件主要有高阻尼材料摩擦耗能、液体粘滞阻尼以及电涡流阻尼等方式。

采用摩擦耗能的TMD具有结构简单，造价低等优势，但存在刚度与阻尼不易分离及材料磨损老化的问题，影响TMD振动控制参数的稳定性。

液体粘滞阻尼具有结构简单，减振效率高的特点，但存在漏油和阻尼后期难以调节的问题。

电涡流阻尼常用于航天结构吸能减振与高速列车制动方面，近些年才开始在土木工程上研究与应用[2]。

专利名称：一种超低频液体质量调谐阻尼器
专利类型：发明专利
发明人：汪正兴,柴小鹏,吴美艳,王波,王艳芬,荆国强,刘鹏飞,李翀,黄河,马长飞,吴肖波,尹琪,盛能军,吕江,朱世峰,
张汉卫
申请号：CN201710279969.0
申请日：20170426
公开号：CN106948256A
公开日：
20170714
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种超低频液体质量调谐阻尼器，涉及桥梁振动控制技术领域，包括阻尼箱，所述阻尼箱内设有弹簧组，所述弹簧组一端固定在所述阻尼箱上，所述弹簧组另一端连接有一质量块，所述阻尼箱内盛有阻尼液，所述质量块完全浸没或半浸没在所述阻尼液中，所述超低频液体质量调谐阻尼器的阻尼比为3％～35％，固有频率为0.05～0.5Hz。

本发明的超低频液体质量调谐阻尼器可充分利用阻尼液的附加质量，辅以液体的浮力作用，在满足0.5Hz以下的结构振动控制需求同时，大幅降低弹簧的静力伸长量，减小阻尼器弹簧用量与安装空间，适应实际施工对阻尼器安装空间的限制需求。

申请人：中铁大桥科学研究院有限公司,中铁大桥局集团有限公司
地址：430034 湖北省武汉市建设大道103号
国籍：CN
代理机构：北京捷诚信通专利事务所(普通合伙)
代理人：王卫东
更多信息请下载全文后查看。

第50 卷第 7 期2023年7 月Vol.50，No.7Jul. 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化与试验研究王文熙1，2†，余天赋1，2，华旭刚1，2，陈晟1，2，李欣3（1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082；2.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室（湖南大学），湖南长沙410082；3.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201）摘要：基于多重调谐原理，提出一种将碰撞质量和碰撞耗能装置分散布置的多重单面碰撞调谐质量阻尼器（MSS-PTMD）. 该阻尼器具有多重调谐的功能，以至能覆盖更宽的控制频域并具有更好的减振性能. 同时，该阻尼器能将调谐质量分块化、小型化，提升碰撞类调谐质量阻尼器在实际工程中的可行性. 为深入研究MSS-PTMD的性能特点，建立了单自由度结构与MSS-PTMD耦合运动方程，基于H∞优化准则得到了MSS-PTMD的优化参数；采用数值模拟对比了SS-PTMD和双重单面碰撞调谐质量阻尼器（DSS-PTMD）的减振性能；最后，通过试验验证了DSS-PTMD的减振效果. 研究表明，增加调谐质量数量能有效提升MSS-PTMD的减振带宽和减振性能；在完全调谐和失谐±5%的情况下，MSS-PTMD都比SS-PTMD具有更好的减振效果.关键词：单面碰撞调谐质量阻尼器；多重单面碰撞调谐质量阻尼器；参数优化；减振性能中图分类号：TU352.1 文献标志码：AParameter Optimization and Experimental Study on Multiple Single-sidedPounding Tuned Mass DamperWANG Wenxi1，2†，YU Tianfu1，2，HUA Xugang1，2，CHEN Sheng1，2，LI Xin3（1.College of Civil Engineering，Hunan University， Changsha 410082， China；2.Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province（Hunan University）， Changsha 410082， China；3.College of Civil Engineering， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）Abstract：Based on the multiple-tuning mechanism，a multiple single-sided pounding tuned mass damper （MSS-PTMD） with distributed pounding mass and pounding energy dissipation devices is proposed. The proposed damper has a multiple-tuning function so as to cover a wider control frequency domain and has better damping performance. Meanwhile，the huge tuned mass of conventional SS-PTMD can separate into several small ones to improve the feasibility of the pounding-type tuned mass damper in practical engineering. To further study the∗收稿日期：2022-07-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（52278304，51908210），National Natural Science Foundation of China（52278304，51908210）；湖南省自然科学基金青年项目（2020JJ5074），Natural Science Foundation of Hunan Province（2020JJ5074）；湖南省教育厅创新平台开放基金项目（20K029），Science Research Project of Education Department of Hunan Province（20K029）；中国工程院战略咨询重点项目（2021-XZ-37）， Key Project of Strategy Consulting of Chinese Academy of Engineering （2021-XZ-37）作者简介：王文熙（1988—），男，湖南娄底人，湖南大学助理教授，博士† 通信联系人，E-mail：**************.cn文章编号：1674-2974（2023）07-0077-07DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023081湖南大学学报（自然科学版）2023 年characteristics of MSS-PTMD， the motion equations of a single degree of freedom structure coupling MSS-PTMD are established. The optimal parameters of MSS-PTMD are obtained based on H∞optimization criteria. The control performance of SS-PTMD and a double single-sided pounding tuned mass damper （DSS-PTMD） is simulated and compared. Finally， the effectiveness of DSS-PTMD is verified through experiments. The results show that increasing the number of tuning masses can effectively improve the damping bandwidth and performance of the MSS-PTMD. In the tuning and ±5% detuning cases， the MSS-PTMD has better control performance than SS-PTMD.Key words：single-sided pounding tuned mass damper；multiple single-sided pounding tuned mass damper；pa⁃rameter optimization；control performance现代结构不断向大跨、高耸、轻柔方向发展，具有基频低、阻尼小的特点，在外荷载作用下容易产生大幅振动，因此，发展新的减振装置与技术具有重要意义. 调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）是一种在实际工程中广泛使用的减振装置［1-2］，具有较好的减振效果，但也存在有效减振频带较窄、控制鲁棒性较差、需要较大安装空间等不足. Song等［3-4］在传统TMD基础上提出了双面碰撞调谐质量阻尼器（Pounding Tuned Mass Damper，简称PTMD），与TMD相比，PTMD在质量块两侧增加了限位挡板，避免质量块与主结构发生碰撞，并在挡板上附着黏弹性材料，利用质量块与挡板的碰撞耗能减振. 对海底输油管道、输电塔线系统、海洋平台、风机等采用PTMD的减振性能进行了研究［2-8］，结果表明，与TMD相比，PTMD的有效频带更宽，在失谐的情况下控制效果更好. 但PTMD也存在明显的问题，即质量块与碰撞挡板的间隙如何确定的问题，当间隙取值小时质量块振动小，无法有效耗能，而间隙取值大时质量块不能与挡板碰撞也无法实现碰撞耗能，因此，PTMD难以达到理想的减振效率. 另外，当碰撞质量较大时，碰撞噪声和碰撞力引起的瞬时加速度也不容忽视.为了解决PTMD间隙参数难以确定及碰撞噪声的问题，作者提出了单面碰撞调谐质量阻尼器［9-10］（Single-side Pounding Tuned Mass Damper，简称SS-PTMD）. 该型阻尼器仅含有一块粘贴黏弹性材料的碰撞挡板，当SS-PTMD的弹簧-质量块体系位于静力平衡位置时，碰撞挡板被置于质量块的一侧且紧贴质量块，这样，不论被控结构振动幅值大小，碰撞总能发生并消耗振动能量. 钢-黏弹性材料碰撞力模型以及SS-PTMD的动力特性、优化参数与减振性能研究已取得了一定的成果［9-13］，结果表明，SS-PTMD 具有良好的减振性能.为了进一步提升SS-PTMD的减振效率和控制鲁棒性，引入多重调谐理念，本文对多重单面碰撞调谐质量阻尼器（Multiple Single-side Pounding TunedMass Damper，简称MSS-PTMD）的优化参数及减振性能进行仿真与试验研究.1 结构-多重单面碰撞调谐质量阻尼器力学模型1.1 SS-PTMD与碰撞力模型SS-PTMD的力学模型如图1所示. 在忽略碰撞持续时间的前提下，根据系统的能量守恒原理可推导出系统的固有频率f为［7］：f SS-PTMD=（1）SS-PTMD在工作过程中通过质量块与黏弹性材料碰撞来实现耗能减振，其等效阻尼比ζ碰撞恢复系数e的关系可表示为［9］：ζSS-PTMD=12πln(1e).（2）考虑钢-黏弹性材料碰撞特征，采用如下碰撞力模型用于更准确地描述碰撞行为［11］：F=ìíîïïïïïïïïkδ(t)n+ζδ(t)nδ(t)，δmax≥δ(t)>0，δ(t)≥0；f eéëêêùûúúδ(t)-δeδmax-δen，δmax>δ(t)≥δe，δ(t)<0；0，δe>δ(t)>0，δ(t)<0.（3）图1 SS-PTMD力学模型图Fig.1 Mechanical model of SS-PTMD78第 7 期王文熙等：多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化与试验研究式中：δ（t ）为碰撞过程中质量块嵌入黏弹性材料的位移，其一阶导数为速度；n 为非线性指数；k 为碰撞刚度；ζ为碰撞阻尼因子；δmax （t ）和δe （t ）分别为碰撞嵌入黏弹性材料的最大位移和碰撞结束后的黏弹性材料残余变形；f e 为最大弹性碰撞力，且f e =kδnmax.（4）根据能量守恒原理，模型参数k 、ζ必须满足下列方程：12(1-e 2)δ20=(1-e l )æèçççççççççk 2ζ2ln ||||||δ0+k ζk ζ||||||-k ζδ0öø÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷+δ202.（5）式中：δ0为碰撞的初始位移，其一阶导数为初始速度；e 为弹性恢复系数；e l 为残余变形率，e l =δe /δmax ，由试验确定. 前期研究表明，e l 与e 的关系为［11］：β(1-e 2)=e l ， 0<β≤1.（6）根据以往研究，式中β可取为0.938.1.2 MSS-PTMD 与结构的耦合运动方程为了建立MSS-PTMD-结构耦合系统运动方程，取单自由度结构为研究对象，设在结构上布置n 个SS-PTMD ，对应的力学模型及模型参数如图2所示.MSS-PTMD-结构耦合系统运动方程可写为：MX +CX +KX =F +F P .（7）式中：X 、X 、X 分别为位移、速度、加速度向量；M 、C 、K 分别为质量、阻尼及刚度矩阵. 式（7）中各矩阵可表示为：M =éëêêêêêêùûúúúúúúm 10⋯00m 20⋯000m 3⋯0⋮⋮⋮⋮0⋯m n +1；C =éëêêêêêêùûúúúúúúc 10⋯0000⋯0000⋯0⋮⋮⋮⋮000⋯0；K =éëêêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúúú∑i =1n +1k i -k 2-k 3⋯-k n +1-k 2k 20⋯0-k 30k 3⋯0⋮⋮⋮⋮-k n +100⋯k n +1；F =[f⋯0]T；F p =éëêê∑i =1n f pi -f p 1-f p 2⋯-f pn ùûúúT；X =[x 1x 2x 3⋯x n +1]T.式中：f 为施加在主结构上的外部荷载；f pi 为第i 个SS-PTMD 的碰撞力；x 1为主结构的位移；x i +1表示第i个SS-PTMD 的位移.由于MSS-PTMD 系统中的碰撞力均为非线性项，式（7）采用四阶龙格库塔方法进行数值求解.2 多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化设计2.1 参数优化设计方法为了减少MSS-PTMD-结构耦合系统的优化参数，假设每个SS-PTMD 的质量比相同，这样每个SS-PTMD 只有频率比和阻尼比两个优化参数，n 个SS-PTMD 共有2n 个优化参数. 优化参数搜索采用模式搜索-蒙特卡洛优化算法［14］，具体流程为：在简谐荷载激励和确定质量比条件下，给定激振频率比λ（简谐荷载频率与主结构频率比值）与被优化参数的区间，基于H ∞优化准则，以共振频域内主结构位移响应动力放大系数（Dynamic magnification factor ，DMF ）的最大值最小化为目标，采用优化算法确定一组优化参数；采用同样的方法，可以获得不同质量比的优化参数. 优化目标的数学表达式为：min r 1，e 1，r 2，e 2，⋯，r n ，e n[max λ DMF(λ )].（8）式中：r i 、e i 分别为第i 个SS-PTMD 的频率比和弹性恢复系数.为了探索MSS-PTMD 优化参数的规律，取单自由度结构进行了数值仿真分析，被控结构参数见表1.仿真分析中假设每个SS-PTMD碰撞力模型的图2 MSS-PTMD-主结构力学模型图Fig.2 Mechanical model of structure and MSS-PTMD79湖南大学学报（自然科学版）2023 年非线性系数n =1.5、碰撞刚度k =2.45×106 N/m 1.5，碰撞阻尼因子ζ则根据弹性恢复系数及碰撞初速度由式（5）确定. 为了进行减振性能对比，设定MSS-PTMD 的总质量相等且每个SS-PTMD 的质量相同. 外部激励采用简谐荷载，幅值取为10 N.2.2 MSS-PTMD 参数优化结果分别取质量比1%至5%得到的MSS-PTMD 优化参数见表2. 表2中μ=∑i =2n +1m i /m 1，为MSS-PTMD 质量比，r opt 、e opt 分别为优化频率比和优化弹性恢复系数. 由表2可知，在相同质量比情况下，随着SS-PTMD 数量增加，DMF 减小，r opt 分布区间及e opt 取值增大，说明增加SS-PTMD 数量能有效提高减振效果.取MSS-PTMD 总质量比为3%，得到的不同SS-PTMD 数量下的MSS-PTMD 的幅频曲线如图3所示.由图3可知，相对于单个SS-PTMD ，2SS-PTMD 、3SS-PTMD 、4SS-PTMD 的最大动力放大系数分别减小了8%、11.4%和14.8%.3 DSS-PTMD 减振性能分析与试验3.1 仿真分析为了验证MSS-PTMD 的减振性能，取SS-PTMD 和DSS-PTMD （n =2）进行仿真分析，分析采用的单自由度结构模型参见表1，SS-PTMD 和DSS-PTMD 的参数及碰撞力模型参数见表3. 由表3可知，SS-PTMD 质量12.5 kg ，DSS-PTMD 的两个子SS-PTMD 均为表1 被控结构参数Tab.1 The parameter of main structure质量m 1/kg 492刚度k 1/（N•m -1）32 876频率f 1/Hz 1.301阻尼比ζ1/%0.08表2 MSS-PTMD MSS-PTMD 最优参数及DMFTab.2 The optimal parameters and DMF of SS-PTMDμ/%12345n=1r opt 1.031.041.061.071.09e opt 0.700.600.540.460.43DMF 16.1111.329.217.997.14n=2r opt 0.991.050.991.070.991.080.991.100.991.11e opt 0.800.790.730.720.640.630.610.590.560.57DMF 14.6210.278.477.216.43n=3r opt 0.981.021.060.961.021.080.961.021.100.951.031.120.951.031.13e opt 0.830.830.820.800.780.760.730.740.720.740.700.680.630.640.65DMF 13.859.858.167.046.30n=4r opt0.971.001.031.060.961.001.041.080.941.101.051.100.930.991.051.130.930.991.061.15e opt0.870.860.870.830.780.770.700.770.770.760.750.740.730.720.730.740.710.710.690.68DMF 13.719.827.846.956.17图3 不同MSS-PTMD 数量的DMF 曲线Fig. 3 The DMF curves of different MSS-PTMD quantities80第 7 期王文熙等：多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化与试验研究6.25 kg，质量比均为2.54%，SS-PTMD参数根据上节的优化结果取值.在自由振动下，无控、SS-PTMD控制、DSS-PTMD控制的位移时程如图4所示. 由图4可知，无控、SS-PTMD控制、DSS-PTMD控制工况下主结构前20 s的位移均方根分别为13.240 mm、4.375 mm和4.310 mm，SS-PTMD和DSS-PTMD控制下的均方根减振率分别为66.96%和67.45%，等效阻尼比分别由0.08%提升到4.86%和5.06%.在简谐激励下，无控、SS-PTMD控制、DSS-PTMD控制的位移幅频曲线如图5所示. 由图5可知，SS-PTMD、DSS-PTMD均有很好的减振效果，减振率分别为98.35%和98.51%，且DSS-PTMD更优. 为了评估两种阻尼器的控制鲁棒性，考虑失谐±5%、±10%得到的控制效果见表4. 从表4可知，SS-PTMD 和DSS-PTMD在失谐情况下均具有很好的减振效果，说明其控制鲁棒性良好；在失谐±5%时，DSS-PTMD比SS-PTMD具有更好的减振性能，但失谐±10%时，SS-PTMD变得更好，说明在自身参数偏离率较小的情况下，DSS-PTMD的减振有效性会优于SS-PTMD，但随着自身参数偏离率的增大，SS-PTMD 的减振有效性会逐渐超过DSS-PTMD，这是多调谐系统和单调谐系统的共性特点［14］.（a）SS-PTMD控制（b）DSS-PTMD控制图4 自由振动下位移时程Fig.4 The time histories of displacements under free vibration表3 SS-PTMDSS-PTMD参数Tab.3 The parameters of SS-PTMDn12质量/kg12.56.256.25频率/Hz1.3661.2881.405恢复系数0.550.680.70非线性指数1.51.51.5碰撞刚度/（N•m-1.5）2.45×1062.45×1062.45×106（a）SS-PTMD（b）DSS-PTMD图5 位移幅频曲线Fig.5 The relationship between displacementand excitation frequencies表4 简谐激励下的控制效果Tab.4 The control effect under the harmonic excitation失谐率/%-10-5+5+10DSS-PTMD控制最大位移/mm9.135 55.1722.8864.6327.117DSS-PTMD减振率/%95.2997.3398.5197.6196.33SS-PTMD控制最大位移/mm8.9235.2963.1914.7976.634SS-PTMD减振率/%95.4097.2798.3597.5396.5881湖南大学学报（自然科学版）2023 年3.2 DSS-PTMD 减振性能试验为了验证DSS-PTMD 的减振性能，设计了一个单层框架，该结构的物理参数见表1，DSS-PTMD 的设计参数见表3. DSS-PTMD 的自振频率由摆杆长度调节，结构的频率采用配重块调节，黏弹性材料弹性恢复系数为0.7，采用电机带动摆杆产生简谐减振力，试验布置如图6所示.自由振动试验获得的结构位移时程如图7所示. 图7（a ）为完全调谐的情况，采用DSS-PTMD 控制后主结构的阻尼比由0.08%提高到了4.85%；图7（b ）为失谐+5%的情况，结构阻尼比由0.08%上升到3.03%. 对比发现失谐情况较完全调谐情况衰减时间更长，这是由于调谐不完全时，主结构传递至子结构的能量不充分，导致主结构和质量块的相对碰撞速度不足，能量耗散效率较低.简谐激励试验时，激振力幅值采用1.5 N ，结构在无控、DSS-PTMD 控制下的位移幅频曲线如图8所示. 由图8可知，无控时位移峰值为27 mm ，比仿真的193.88 mm 小很多，这是因为试验时激振力幅值较小；完全调谐时位移的减振率为95.9%，失谐+5%时位移减振率为94.8%，均取得了良好的减振效果. 本文采用的碰撞力模型的准确性已在文献［11］中得到充分验证，其与碰撞试验结果非常接近. 因此，由DSS-PTMD 与SS-PTMD 的仿真分析可预知，在完全调谐情况下DSS-PTMD 的试验性能也将优于SS-PTMD.（a ）DSS-PTMD-结构系统（b ）SS-PTMD摆杆（c ）配重块及激振电机图6 试验布置图Fig.6 The layout of test（a ）完全调谐（b ）失谐+5%图7 自由振动试验获得的结构位移时程Fig.7 Time histories of displacement under free vibration test（a ）完全调谐（b ）失谐+5%图8 简谐激励试验获得的位移幅频曲线Fig.8 The relationship between displacement and excitationfrequencies under the harmonic excitation test82第 7 期王文熙等：多重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化与试验研究4 结论本文建立了单自由度结构-MSS-PTMD耦合系统运动方程，采用仿真分析和试验研究方法，针对MSS-PTMD减振性能开展了研究，得到以下主要结论：1）参数优化结果表明，在相同质量比情况下，随着SS-PTMD数量增加，DMF减小，r opt分布区间及e opt 取值增大.2）随着SS-PTMD数量增加，MSS-PTMD减振效果增强，相对于单个SS-PTMD，2个SS-PTMD、3个SS-PTMD、4个SS-PTMD的最大动力放大系数分别减小了8%、11.4%和14.8%.3）对SS-PTMD和DSS-PTMD的减振性能进行了仿真对比分析，在调谐和失谐±5%情况下，DSS-PTMD比SS-PTMD具有更好的减振性能.4）试验表明，DSS-PTMD具有良好的减振效果，与仿真分析结果一致.从工程角度出发，SS-PTMD的减振频率带宽窄，适用于窄频荷载，如涡振；而MSS-PTMD拥有更宽的减振频率带宽，适用于宽频荷载，如风振、地震等情况.参考文献［1］张志田，吴肖波，葛耀君，等．悬索桥吊杆风致内共振及减振措施初探［J］．湖南大学学报（自然科学版），2016，43（1）：11-19．ZHANG Z T，WU X B，GE Y J，et al．Wind induced internalresonance and the control method of suspension bridge hangers［J］．Journal of Hunan University （Natural Sciences），2016，43（1）：11-19．（in Chinese）［2］陈政清，黄智文，王建辉，等．桥梁用TMD的基本要求与电涡流TMD［J］．湖南大学学报（自然科学版），2013，40（8）：6-10．CHEN Z Q，HUANG Z W，WANG J H，et al．Basic requirementsof tuned mass damper for bridges and the eddy current TMD［J］．Journal of Hunan University （Natural Sciences），2013，40（8）：6-10．（in Chinese）［3］ZHANG P，SONG G B，LI H N，et al．Seismic control of power transmission tower using pounding TMD［J］．Journal ofEngineering Mechanics，2013，139（10）：1395-1406．［4］SONG G B，ZHANG P，LI L Y，et al．Vibration control of apipeline structure using pounding tuned mass damper［J］．Journal of Engineering Mechanics，2016，142（6）：401-409．［5］LI H N，ZHANG P，SONG G B，et al．Robustness study of the pounding tuned mass damper for vibration control of subseajumpers［J］．Smart Materials and Structures，2015，24（9）：095001．［6］XUE Q C，ZHANG J C，HE J，et al．Seismic control performance for pounding tuned massed damper based on viscoelastic poundingforce analytical method［J］．Journal of Sound and Vibration，2017，411：362-377．［7］李英娜，张井财，薛启超，等．地震作用下PTMD对JZ20-2MUQ型导管架式海洋平台的减振研究［J］．振动与冲击，2017，36（18）：238-244．LI Y N，ZHANG J C，XUE Q C，et al．PTMD's vibrationreduction effect on the JZ20-2MUQ offshore jacket platform［J］．Journal of Vibration and Shock，2017，36（18）：238-244．（inChinese）［8］孔凡，夏红兵，孙超，等．风浪联合作用下海上风力涡轮机的碰撞阻尼减振控制［J］．振动与冲击，2021，40（3）：19-27．KONG F，XIA H B，SUN C，et al．Pounding tuned mass damperfor vibration control of offshore wind turbine subjected tocombined wind and wave excitations［J］．Journal of Vibration andShock，2021，40（3）：19-27．（in Chinese）［9］WANG W X，HUA X G，WANG X Y，et al．Optimum design of a novel pounding tuned mass damper under harmonic excitation［J］．Smart Materials and Structures，2017，26（5）：055024．［10］WANG W X，HUA X G，WANG X Y，et al．Numerical modeling and experimental study on a novel pounding tuned mass damper［J］．Journal of Vibration and Control，2018，24（17）：4023-4036．［11］WANG W X，HUA X G，WANG X Y，et al．Advanced impact force model for low-speed pounding between viscoelasticmaterials and steel［J］．Journal of Engineering Mechanics，2017，143（12）：04017139．［12］WANG W X，WANG X Y，HUA X G，et al．Vibration control of vortex-induced vibrations of a bridge deck by a single-sidepounding tuned mass damper［J］．Engineering Structures，2018，173：61-75．［13］WANG W X，YANG Z L，HUA X G，et al．Evaluation of a pendulum pounding tuned mass damper for seismic control ofstructures［J］．Engineering Structures，2021，228：111554．［14］王文熙，华旭刚，王修勇，等．TMD系统在自身参数随机偏离下的减振有效性和可靠性分析［J］．振动与冲击，2016，35（1）：228-234．WANG W X，HUA X G，WANG X Y，et al．Vibration reductionvalidity and reliability of a TMD system under random deviation ofits own parameters［J］．Journal of Vibration and Shock，2016，35（1）：228-234．（in Chinese）83。

专利名称：一种结构增强调谐质量阻尼器优化设计方法专利类型：发明专利
发明人：张帆
申请号：CN201810287393.7
申请日：20180403
公开号：CN108647383A
公开日：
20181012
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种结构增强调谐质量阻尼器优化设计方法。

本发明采用下述技术方案：1）建立结构‑增强调谐质量阻尼器ETMD系统力学模型；2）建立结构‑增强调谐质量阻尼器ETMD系统动力学方程；3）对结构‑增强调谐质量阻尼器ETMD进行参数优化计算；4）通过比较，选取最优组合参数设计一种优化的增强调谐质量阻尼器。

本发明的创新之处在于设计一种适用于所有结构的新型增强调谐质量阻尼器，优越之处在于能够有效地控制地震作用下结构的位移响应，且优于TMD。

申请人：上海大学
地址：200444 上海市宝山区上大路99号
国籍：CN
代理机构：上海上大专利事务所(普通合伙)
代理人：陆聪明
更多信息请下载全文后查看。

多重调谐质量阻尼器参数优化的一种改进算法及其应用
汪正兴;任文敏;苏继宏;徐海鹰
【期刊名称】《工程力学》
【年(卷),期】2005(22)5
【摘要】提出了一种抑制主系统风振响应为主兼顾质量调谐阻尼器(TMD)子系统
相对位移响应的参数优化算法,据此对控制九江桥吊杆风振的多重调谐质量阻尼器(MTMD)系统的参数优化设计进行了研究,结果表明:按通常以主系统响应最小为目
标的MTMD参数优化算法所得的参数,TMD子系统的相对位移响应过大,其构件易疲劳损伤,影响减振效果,增加维护成本。

按改进后的优化算法,可获得更合理的结果。

【总页数】5页(P26-30)
【关键词】振动控制;参数优化;算法;MTMD桥梁
【作者】汪正兴;任文敏;苏继宏;徐海鹰
【作者单位】清华大学工程力学系;中铁大桥局桥梁科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】O327
【相关文献】
1.调谐黏滞质量阻尼器基于遗传算法的参数优化研究 [J], 李超;张瑞甫;赵志鹏;李
俊卫;罗浩;翁大根
2.基于刚度-阻尼器主动多重调谐质量阻尼器模型的性能评价 [J], 李春祥
3.基于多岛遗传算法的漂浮式风力机稳定性多重调谐质量阻尼器优化控制 [J], 黄
致谦;丁勤卫;李春;汤金桦
4.多重调谐质量调谐阻尼器的磁浮道岔减振方案 [J], 靖仕元
5.基于Maxwell型阻尼器的多重调谐质量阻尼器性能评价 [J], 李春祥
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

磁耦合调谐质量阻尼器的参数优化及减振效果李晓华;王宝基;薛中会【摘要】在调谐质量阻尼器的基础上，将黏性阻尼器换成电磁阻尼器，建立了3个自由度磁耦合调谐质量阻尼系统的力学模型及其运动学方程。

利用傅里叶变换导出了该系统随外激励变化的傅里叶响应函数。

根据固定点法和参数组合筛选法对系统的参数进行了优化处理，得到了最优频率比、电阻尼比和耦合参数。

减振效果显示，磁耦合调谐质量阻尼器比调谐质量阻尼器的减振效果提高了20％左右。

【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P86-91)【关键词】调谐质量阻尼器;磁耦合;参数优化;傅里叶变换【作者】李晓华;王宝基;薛中会【作者单位】河南理工大学物理化学学院，河南焦作 454000;河南理工大学物理化学学院，河南焦作 454000;河南理工大学物理化学学院，河南焦作 454000【正文语种】中文【中图分类】TU473目前，为了减轻外激励作用而引起建筑物的振动，许多被动控制器已成功地安装在世界各地的高耸建筑物和塔上，如美国纽约的Citicorp中心，波士顿的John Hancock塔，澳大利亚悉尼Centerpoint塔等。

调谐质量阻尼器（TMD）是被动控制器之一，它能使主体结构的振动得到很好的抑制［1－6］。

目前，一些研究发现，在TMD的基础上加上磁场能达到更好的减振效果，如磁耦合减振器在梁的减振方面的研究有：文献［7］分析了当机械部分达到很好的减振效果时的耦合参数的取值范围，以及非线性时的分岔和混沌与耦合参数的关系；文献［8］研究了多个有磁耦合的减振器串联时的稳定边界条件和分岔情况以及对应Lyaponov指数；文献［9］研究了磁TMD对梁的减振效果，结果显示在参数没有取最优的条件下，减振效果也比TMD的减振效果好。

就目前情况来看，磁耦合减振器在高耸结构减振方面的研究还较为少见。

本文在调谐质量阻尼器的基础上，将黏性阻尼器换成电磁阻尼器，建立了磁耦合调谐质量阻尼器（MC-TMD），系统地对MC-TMD系统的参数进行了优化研究，并进一步比较了TMD和MC-TMD的减振效果。

双重电磁谐振式调谐质量阻尼器的参数优化及对结构减振分析孙洪鑫;黄朝阳;罗一帆;王修勇;温青【期刊名称】《工程力学》【年(卷),期】2024(41)5【摘要】利用电磁阻尼单元代替经典调谐质量阻尼器中的黏性阻尼单元,形成一种具有结构减振功能的新型电磁谐振式调谐质量阻尼器(electromagnetic shunt tuned mass damper,EMS-TMD)。

为进一步提升阻尼器的减振性能和鲁棒性,设计了双重电磁谐振式调谐质量阻尼器(DEMS-TMD)减振方案。

依据达朗伯定理,建立地震作用下DEMS-TMD与单自由度结构耦合振动系统的动力学模型。

利用蒙特卡洛-模式搜索法数值优化方法,以主结构位移的动力放大系数最大值最小为目标函数,优化得到DEMS-TMD的结构频率比、电子频率比、电磁阻尼比和机电耦合系数的最优参数,为减振参数设计提供理论指导。

通过频域和时域两种方法仿真分析了DEMSTMD对结构的减振性能。

结果表明:在频域分析中,DEMS-TMD的主结构位移峰值和频响面积均优于传统并联双调谐质量阻尼器(double tuned mass damper,DTMD);在时域分析中,DEMS-TMD对结构位移、加速度峰值和均方根的减振性能均优于传统DTMD,有效地提高了对结构的减振效果。

【总页数】12页(P155-166)【作者】孙洪鑫;黄朝阳;罗一帆;王修勇;温青【作者单位】湖南科技大学土木工程学院【正文语种】中文【中图分类】TU352.1【相关文献】1.电磁调谐质量阻尼器的H2参数优化及对结构减震分析2.磁耦合调谐质量阻尼器的参数优化及减振效果3.双重单面碰撞调谐质量阻尼器参数优化及减振性能分析4.电磁调谐惯质阻尼器参数优化及减振分析5.摆式碰撞双重调谐质量阻尼器减振性能研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于多重调谐质量阻尼器的滚珠丝杠副横向振动控制王民;李凤蛟;昝涛;高相胜【摘要】为克服滚珠丝杠副动态特性随螺母沿丝杠运动不断变化，导致丝杠振动难以控制问题，提出采用多重调谐质量阻尼器对滚珠丝杠副横向振动进行控制。

建立含多重调谐质量阻尼器的滚珠丝杠副在螺母及两端轴承处弹性支撑条件的动力学模型，获得不同螺母运动、受动态工作负载激励时丝杠横向振动频率响应函数。

以不同螺母位置丝杠横向振动频率响应函数幅值最大值最小化为优化目标，获得多重调谐质量阻尼器最佳动力参数。

仿真计算结果表明，采用多重调谐质量阻尼器进行丝杠横向振动控制，其效果及鲁棒性显著。

%A ball screw system is widely used as a mechanical transmission unit.As the structure of the ball screw is long and narrow,the high speed performance of the screw is affected by its bending vibration.In addition,the resonance frequencies of the screw exist in a big range due to the movement of its nut.To overcome this problem,multi-tuned mass dampers were used to control the bending vibration of the ball screw here.After establishing the dynamic model of the screw with multi-tuned mass dampers,the frequency response function for the bending vibration of the screw was calculated.To control the bending vibration of the screw with the variation of its nut position,a numerical optimization algorithm was used to obtain the optimal design parameters of the multi-tuned dampers.The simulation results showed that the multi-tuned mass dampers have a good performance to control the bending vibration of the screw.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】5页(P63-67)【关键词】滚珠丝杠;振动控制;多重调谐质量阻尼器;参数优化【作者】王民;李凤蛟;昝涛;高相胜【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院先进制造技术北京市重点实验室，北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TH113.1Bending vibration control of a ball screw via multi-tuned mass dampers Key words:vibration control; ball screw; multi-tuned mass damper; parametric optimization作为数控机床伺服进给系统中应用最广的机械传动部件—滚珠丝杠副由丝杠、螺母组成，可实现丝杠旋转运动到螺母直线运动转换。

一种新型结构振动控制阻尼器的试验研究李东超;汪正兴;钟继卫【摘要】在传统TMD和TLD减振器基础上研究设计了液体质量双调谐减振器(TLMD),与传统减振器相比,可以实现频率和阻尼参数的完全分离、更高的减振效率和更长的使用寿命等.本文基于固液双调谐设计了TLMD减振器,并在此基础上进行了减振器的参数稳定试验和STLMD及MTLMD的减振效果试验.结果表明:该新型TLMD减振器具有较高的参数稳定性和减振效率.【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2010(035)003【总页数】4页(P163-166)【关键词】振动控制;液体质量双调谐减振器(TLMD);TMD;TLD【作者】李东超;汪正兴;钟继卫【作者单位】中铁大桥局集团,武汉桥梁科学研究院,湖北,武汉,430034;中铁大桥局集团,武汉桥梁科学研究院,湖北,武汉,430034;中铁大桥局集团,武汉桥梁科学研究院,湖北,武汉,430034【正文语种】中文【中图分类】TU311.3;O327随着新技术、新材料的应用,桥梁结构日益向着高、大、轻、柔的方向发展,导致结构刚度与阻尼减小,在地震、风和交通工具等外界激励下的结构响应越来越大,必须加以控制,不然轻则引起行车、行人不适,影响其使用功能,重则因响应过大引起结构疲劳破坏甚至动力失稳[1]。

在振动控制技术中,主动控制控制效果较好,但需要输入外部能量,控制结构复杂且可靠性尚存在一些问题,应用于实际工程还存在一定困难。

与之相比,被动控制因其具有构造简单、便于安装应用且理论研究比较成熟等优点,在结构振动控制中应用较为广泛[1-2]。

TMD及 MTMD减振器作为被动减振器的一种在桥梁结构中应用较多,观测结果和实测数据均表明,该类型减振器可有效地抑制结构振动[3-5]。

由TMD振动控制理论可知,单个 TMD对结构的受控模态的动力响应具有较好的控制效果,但存在抑振频带窄,对频率调谐敏感性过高等缺点[6]。

为此,有学者提出多重调谐质量阻尼器(MTMD)的概念及其参数优化方法,目的是提供更好的有效性和鲁棒性,但是所有控制理论的建立都是以减振器参数的准确调节和长期稳定为前提的[7-11]。