建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介

建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介
建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介

1.阻尼器应用的设计目标和理念

传统建筑,无论木结构,钢筋混凝土,钢结构已经有上百年的抗风,抗震历史,为什么提出在这些建筑中添加阻尼器?精简总结,有以下几点原因:

●对于一些使用要求较高的建筑结构(超高层,大跨结构等),地震,抗风形成动力难题,需

要更合理的解决办法;

●对比其他传统方案,减少结构受力体系的造价;

●科学不断发展,开辟了解决结构工程问题的新思路;可以使结构最大限度的保持在弹性范围

内工作,为结构提升安全保障。

以某抗震加固工程为例,我们对剪力墙(传统方案)和液体粘滞阻尼器两个方案从理念和计算结果作了如下对比如下表:

我国现行抗震设计规范中已经开始有了关于消能减震的有关规定。结合国内外有关阻尼器应用发展情况和我们的应用体会,我们再谈一下在建筑上使用阻尼器的目标和理念。简单的说,我们安置阻尼器可以有以下几个目的。

A 增加抗震、抗风能力

原设计可能已经可以满足所有规范规定的抗震抗风要求,加上液体粘滞阻阻尼器,在振动过程中起到耗能和增加结构阻尼的作用,从而降低结构反应的基底剪力,减少整个结构的受力,也就可以大大提高结构的抗地震能力。同时,只要阻尼器安装的合适,设置到不同的需要方向,还可以预防和减少原设计没有考虑,或考虑不足的振动受力。

对特别重要的结构,高发地震区,花钱不多,设置这一第二防线是很值得的。对于非严重地震区,也可以用阻尼器达到抗风和增加抗震能力的目的。

B.用阻尼器去防范罕遇大地震或大风

按小震不坏大振不倒的原则,我们可以用常规的设计办法使设计满足多遇地震的抗震要求。对于罕遇的大地震可能显得不足、不理想或不经济。用结构的被动保护系统-特别是阻尼器来等待和解决这罕遇大地震的问题,不仅新建结构建议采用这一设计理念,原设计未设防抗震或设防不足的结构加固工程也很适于。

这一理念会带来经济实用和可靠的结果,设计的好,可以为工程节省费用。国外抗震先进国家大都采用这一理念。在所有可能发生地震的地区,我们主要想提出推广的这一设计理念。

国外有的工程,在结构的小振设计中也充分利用施加了阻尼器的优越。他们大胆的用加阻尼器后的修正反应谱作结构的设计。

C.减少附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动

在破坏性地震震害分析中,结构内部附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动和破坏越来越引起我们的注意。从经济上看,这些内部系统的价值可能远远超过结构本身。增加结构保护系统出于保护这一附属系统就不奇怪了。应该说,采用阻尼器系统减少医院、计算机房、交通及航空等重要控制中心内部附属设备的振动是非常必要的。

D.解决常规办法难予解决的问题

在结构设计中有时遇到高地震烈度、土质情况恶劣的地区,单纯的加大梁柱的尺寸会引起结构刚度增加,结构的周期减小,其结果可能引起更大的地震力。结构落入这一恶性循环中。有时用常规的办法难于解决。著名的墨西哥市长大楼就提供了一个解脱这一恶性循环的榜样。

结构抗震如果使用液体粘滞阻尼器,本身没有刚度,也就不会改变结构的频率,阻尼器增加了结构的阻尼比,起到耗能的作用,比较容易解决这一困难问题。

在高烈度地震区,设计变得很困难的情况下,建议加入液体粘滞阻尼器重新作一下分析,可能你会得到预想不到的好结果。

E.结构上的其它需要

除了提髙结构主体的的抗震抗风能力外,阻尼器还能在很多其他方面的抗振动上对结构有所帮助,可以汇总如下:

●大跨空间钢结构,体育场馆,特别是开启式屋顶运动中的减振

●超高层钢结构建筑抗风的TMD系统

●减少楼板和大型屋盖垂直振动的TMD 系统

●配合基础隔震的建筑,加大阻尼,减少位移

●设备基础减振

●特别重要的建筑----核电站、机场控制室

●结构复杂,难于计算的建筑

●加固工程中,空间受限,最好的选择

●军事工程,抗爆工程

当然,阻尼器还是个新生事物。它的应用方面和理念都还在发展,并有广阔的发展空间。

3. 阻尼器的使用方法

液压粘滞阻尼器几乎是唯一可以既减少结构受力又减少结构位移的消能减振阻尼器。在结构应用中我们只要目标明确,安放合适就可以起到它的作用。对于具体结构的安置目的,我们不妨大体分成下面二类作介绍:

1)为减少主体结构的水平振动,同时减少主体结构主体结构在水平振动下的受力和位移。包括框架结构,单厂排架系统,大跨空间结构的梁柱体系,阻尼器都可以以此为目的来设计。

2)为减少振动中整体或局部位移,以减少振动中的位移为主要目的,阻尼器本身的直接耗能可能并不大,而是寻求系统整体作用。常用的有:

●配合基础隔振加设的阻尼器:

●配合屋盖系统与柱顶相连处的阻尼器:

●多塔结构间连走廊处所用的阻尼器。

●减少整体结构水平振动的TMD系统

●减少局部或整体垂直振动的TMD系统

●设备基础及重要的管道系统用减振系统

3.1 消能减震支撑

阻尼器安装在建筑的不同位置,可以达到设计的不同目的。随着阻尼器在结构抗震、抗风等工程项目上应用的发展,很多结构上采用了不同安装方式、组成不同类型的安置模型。总结目前阻尼器在结构上的安装方式,主要有对角支撑,人字型支撑和垂直放置等。

对角支撑

在结构的对角支撑的位置方向上安置阻尼器,看上去和传统的结构对角支撑很相似。其连接方式简单,阻尼器的作用清楚,广泛被结构工程师使用,常被标为“阻尼支撑”。实际上,对于无刚性的液体粘滞阻尼器,它完全不是一般概念下的支撑,而是仅仅增加阻尼的体系。如果我希望它增加和刚度和阻尼两方面起作用,应该采用液体粘弹性阻尼器。这种连接方式中,阻尼器的利用效率较低,在倾角等于37°时,仅为0.8。

注意:这样使用的阻尼器应为一端饺接、一端固结,两端铰接会形成三饺一线的失稳状态。

图3-1 某结构安置的对角支撑阻尼器

人字形支撑

这是一种完全用来减少水平层间位移的体系,阻尼器的一端通过一个“人”字型支撑和该层下楼层结构相连并运动一致。而阻尼器的另一端和楼层上端结构相,运动一致。支撑的“人”字交点处与上梁并不作受力连接(仅允许水平滑动)。

注意:人字支撑与主体柱下端(结点)的连接一定为刚性连接,切勿用成饺接。

这种连接对水平层间运动的耗能作用优于上述对角形支撑,其 f =1,但对于只连一个阻尼器的体系,“支撑”用钢量可能大于对角连接方式。当然,人字形也可以“倒”用成“V”字形状,还可以在一套“人字支撑”上安置两个阻尼器。

图3-2 某结构安置的人字形支撑阻尼器

配合伸臂桁架支撑垂直放置

对于一些超高层结构,设计者通过计算发现,如果将加强层切开,放大了有弯曲变形带来的垂直相对位移,将阻尼器竖向放置,可以得到很好的减震效果。

图3-3 某结构安置的垂直放置阻尼器

3.2 以减少振动中位移为直接目的的阻尼器

3.2.1 配合基础隔振加设的阻尼器

基础隔振改变了结构的周期,可以大大减少结构在地震中的受力。柔性的连接将地震荷载转化消耗到结构的运动中,起了很大的减震作用。然而,它附加产生出的位移经常是工程界难以接受的。阻尼器可以成功地减少这一振动中的位移,它已经成为基础隔震系统中必不可少的孪生手段。用于结构整体减少振动的隔振系统中的阻尼器应该通过计算,吨位不易过小。

图3-4 配合基础隔振使用

3.2.2 减少整体结构水平振动的TMD系统

常用于高层、超高层结构抗风的TMD(Tune Mass Damper)和LMD( Liquid Mass Damper)是利用一种更为巧妙的办法减少水平风振。在一个主要结构上加设一个与目标减振振型频率一致的小结构,就可以起到减少主结构动力反应的目的(参见附录)。而阻尼器是为了减少这个附加共振“小体系”的运动(图3-13)。台湾101大厦的TMD系统就是这种体系应用的典型。

图3-5 台湾101大厦配合TMD系统安置

图3-5 其他配合TMD系统安置

3.2.3 减少整体或局部垂直振动的TMD系统

以减少楼板或层盖的垂直振动为主要目的的TMD系统是花钱不多效果显著的好办法。工程中常用到到的有以下几类:

●减少大型屋盖垂直振动的TMD系统。

●减少楼板垂直振动的TMD系统。

空中走廊,过街天桥上安置的TMD系统。

图3-5 其他配合竖向TMD系统安置

4. 液体粘滞阻尼器(Fluid Viscous Dampers)

我们常用阻尼器,未加说明时都是指这种阻尼器。

=(4-1)

F CVα

这里, F –阻尼力;C -阻尼系数;α-速度指数;V-为活塞杆的速度。这是个简单的一个公式,却也是非常容易出错的公式。我们希望有关的设计人员在提出阻尼器的设计要求的同时,一定要自己用这个公式计算一下得到的力和速度是否合理。

图4-1 液体粘滞阻尼器

5.液体粘滞阻尼器的计算分析

5.1 阻尼器尺寸的估计与价格

阻尼器和其他机械产品不一样,一般安在结构分析的基础上选用。没有现成统一的价目表,寻求其价格要依据以下两个主要参数:

5.2 消能减振结构的简化计算方法

5.2.1设计荷载和考虑因素

首先,在该标准中明确一点:所有阻尼器的设计都要基于最大地震的考虑。

●考虑最大地震下的低周大位移的衰减荷载

●考虑风荷载下的髙循环小位移下的衰减

●考虑重力下的受力和位移的组合

●考虑相关和连接部件的抗腐蚀、老化、受潮和化学暴露的影响

●考虑阻尼器的工作环境

5.2.2设计参数的选取

请注意以下几个参数的取值问题:

设计阻尼比的选择

在设计阻尼器前我们首先要设定一个目标阻尼比,通常我们建筑结构的阻尼比在1%~5%之间,原则上我们可以提高到20%~50%甚至更高,我国抗震规范则提出附加阻尼比不易超过20%。美国ASCE-7限制阻尼比在35%以上选用。这是因为当附加阻尼超过35%时,结构的减震效果明显降低。

一般按经验,我们常选定在20%左右。

速度指数的确定

我们在有关阻尼器的中,已经介绍过关于速度指数上的问题。阻尼器可以按照用户选定的速度指数α进行设计,用于土木结构的阻尼器速度指数一般可以取0.1~1之间。

A)线性阻尼器的阻尼力与阻尼器作用速度成线性关系,提高了耗能效果的非线性阻尼器可以在保证达到同样的减振效果的同时,降低30%以上阻尼出力,从而也减小在大震下阻尼器连接件的负荷。

B)一般的说,虽然速度指数越小时可以消耗较多的能量。

5.2.3 计算原理和步骤

我国抗震规范规定:消能减震结构的地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按规范(抗震规范)5.1.5条的规定采用。

当建筑结构的阻尼比按照有关规定不等于0.05时,地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数为:

曲线下降段的衰减指数0.050.90.36ξ

γξ

-=++;(1) 阻尼调整系数20.0510.08 1.6ξ

ηξ

-=+

+; (2)

消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比之和 消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算:

/4a cj s j

W W ξπ=∑ (3)

式中a ξ为消能减震结构的附加有效阻尼比, cj W 为第j 个消能部件在结构预期层间位移j u ?下往复一周所消耗的能量;s W 设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能;

不计及扭转影响时消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能可按下式估算:

(1/2)s i i W Fu =∑ (4) 式中i F 质点i 的水平地震作用标准值;i u 质点i 对应于水平地震作用标准值的位移;

速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量可按下式估算:

2221(2/)cos cj j j j W T C u πθ=?(5) 式中1T 消能减震结构的基本自振周期;j C 第j 个消能器由试验确定的线性阻尼系数;

cos j θ第

j 个消能器的消能方向与水平面的夹角;j u ?第j 个消能器两端的相对水平位移;

工程中利用粘滞阻尼器直接消能减震时基本以非线性阻尼器为主,速度指数取值一般在0.3~1.0之间,原因是非线性阻尼器在低速运动(如小震或风荷载)中也可以获得较好的减震效果,提供较大的出力,并吸收更多的能量,获得更大的滞回曲线。规范并未给出非线性阻尼器给结构带来附加阻尼比的具体算法,也没有给出线性与非线性阻尼器之间的等效转化公式,很多设计者在实际工程中难以直接采用这种计算方法,因而很难精确确定附加阻尼比的大小,未能在实际设计中考虑附加阻尼比对结构抗震能力的改善,

结合美国相关规范计算线性阻尼器和非线性阻尼器的等效方法,此处对我国抗震规范对应环节做出如下补充:

对于工程采用非线性阻尼器的情况,需将非线性阻尼器阻尼系数等效转化为线性阻尼器阻尼系数之后再通过我国抗震规范推荐的方法进行附加阻尼比公式计算。

首先根据结构相关信息求出阻尼器的最大运动速度 2221(2/)cos j j j v T u πθ=? (6)

j v 为第j 个消能部件在结构预期层间位移j u ?下的最大运动速度;

通过阻尼器的最大速度和线性阻尼系数求出线性阻尼器的最大出力

j j j F C v = (7)

式中j F 为第j 个消能部件在结构预期层间位移j u ?下的最大出力,

再根据相同速度工况下阻尼器出力相等的等效公式求解阻尼器的非线性阻尼系数

''j

j j j j F F C v α==(8)

'/j

j j j

j C C v v α=(9)

式中'j F 为第j 个非线性消能部件在结构预期层间位移j u ?下的最大出力,j

j v α第j 个非线性消能部件在结构预期层间位移j u ?下的最大运动速度;j

α为第j 个非线性消能部件

的速度指数。

因此,已知非线性的阻尼器相关参数,通过出力等效公式便可转化为线性阻尼器参数,进而估算出采用阻尼器给结构带来的附加阻尼比。

5.3 消能减振结构的时程分析法

结构分析中使用最多的是采用地震波输入的时程分析。采用时程分析法求解消能减振结构是一种精确计算方法,它可以根据实际情况建立计算模型,考虑质量及刚度分布,并时时输入地震动加速度,可以避免由于简化附加阻尼器后所带来的非正交阻尼矩阵的计算误差,可以考虑地震动的烈度、频谱特性及持时,可以很容易的处理阻尼器的非线性问题。目前由于大型有限元程序的普及,这种方法正逐渐普及。在美国大都采用SAP2000和 ETABS 程序进行计算机分析。对于大型复杂结构我们建议采用时程积分的办法进行计算,其分析的过程应该是: I . 设计地震,地震记录的选择;

II . 建立结构分析模型,为了考虑施加阻尼器的位置,应该作未设阻尼器下的计算分析,找出结

构的薄弱层和施加阻尼器的最佳位置,确定控制目标;

III . 选择安置阻尼器的位置,设计阻尼器的类型和参数。并将设计的阻尼器输入计算模型; IV . 计算分析。一般可作弹性分析加非线性阻尼器; V . 计算结果的后处理和满意程度判断;

VI . 对于不能满意的结果,或需要更好的优化设计,可以按III- IV -V 的顺序进行迭代设计,直

到满意为止。 最初,可以首先采用线性阻尼器对结构进行弹性时程分析,得到结构的耗能情况,作判断阻尼器安置位置的概念设计,并进一步对结构进行非线性阻尼器的分析并优化设计,如果时程分析的计算结果不能满足我们的设计要求,如位移过大,可以调整阻尼系数重新计算。如果受力过大,可以调整阻尼比或分成多个阻尼器解决。

5.3.1 地震波输入

在进行时程分析过程中,很重要的一步就是选择有效的地震波加速度数据。所选用的地震波应与结构所处的场地和设计反应谱相符,选取地震波时应注意以下内容:

1) 所选取的地震波的场地类别与工程场地特征周期应相同或着比较接近,同时可参照结构第一

振动周期;

2) 应根据该地区抗震设防烈度调整地震波的加速度峰值;

3) 地震波所持续的时间应保证结构的非线性工作可以全部展现,其持续时间至少应为结构自振

周期的2~3倍;

4) 选用波形的数量,根据我国抗震规范之规定,应不少于两条天然波和一条人工模拟波;在美

国ASCE -7标准中要求计算7条以上的地震记录并取平均值作为设计考虑。 5) 人工地震波可以模拟设计反应谱,也可以按照场地特性进行合成。

5.3.2 阻尼器的计算参数

阻尼器的位置及参数设定是一个需要反复调整及迭代的过程。目前由于非线性阻尼器具有较高的耗能能力,应用较多,但同时由于阻尼力的非线性也增加了计算的难度。一般来说,非线性粘滞阻尼器的减震特点是:在阻尼系数一定时,如在0.1-1范围内随指数增大,同样阻尼力的情况下控制效果可

能下降,耗能能力降低;当阻尼指数一定时,随阻尼系数的增大,阻尼力逐渐增大,控制效果逐渐增强,层间位移成减少趋势, 当然,输出阻尼力大了阻尼器的费用也就随之增加。

图5-2 非线性阻尼元件图示

在分析时只要将阻尼器的参数输入相应程序的“对象单元”中,就可以得到相应的受力和地震反应。在Sap2000中,对于阻尼器的模型采用Maxwell 模型,由非线性阻尼元件与弹簧串联组成,如图5-2所示。

其非线性力-位移关系为:

exp

c k c F k

d cd == (5-17)

单元总变形为弹簧变形与阻尼变形之和:

k c d d d =+

(5-18)

式中,F 为单元非线性出力,k 为弹簧刚度,c 为阻尼系数,d k 为弹簧变形,c d 为阻尼变形速率。阻尼指数必须为正值,使用的取值范围为0.2~2.0间(当小于0.2时,有可能引起计算结果不收敛)。Sap2000建议若期望纯阻尼行为(如普通液体粘滞阻尼器),弹簧的效果可通过使其足够刚性来忽略,弹簧刚度值可为其他杆件刚度的100倍~10000倍,其刚度不易取值过大,以免引起数值问题。

图5-3为Sap2000中进行阻尼器单元设置的窗口,在设置窗口中分为线性工况与非线性工况两部分,分别用于线性时程分析和非线性时程分析两类计算工况。在非线性分析时则忽略阻尼器单元内的线性部分,非线性振型叠加法可考虑非线性单元的设置,而非线性时程分析法可考虑Sap2000中的任何非线性因素,包括材料的非线性、几何非线性以及非线性阻尼器这类的非线性单元。

5.3.3 计算方法描述

时程分析所采用的方法有许多种,如线性加速度法、Newmark β法、Wilson θ法、Runge-Kutta 法及中心加速度法等。Newmark β法和Wilson θ法由于计算精度高、误差容易控制、计算效率较高,目前较为常用。

通常情况下,附加阻尼元件的计算模型在进行时程分析时需要较长的时间,如果还需要考虑材料弹塑性,且模型计算单元及节点较多时,则需要更多的计算时间及计算数据量。如果仅考虑非线性元件(阻尼器)的非线性,则更为快速和有效的方法是由美国教授Wilson 提出的非线性模态分析法,这种方法虽然不能考虑主体结构非线性,但是可以考虑阻尼器对结构产生的非线性特性,这种方法计算量很低,对于高层及大型结构的减震效果计算分析是非常有效的。在美国,一般认为,对于一般工程设计,这就足够了。

对于结构阻尼比的设定可以采用常数阻尼比,即假定结构全部振型的阻尼比相同,常数阻尼不能考虑阻尼随频率和振型的变化;更为有效的方法是采用Rayleigh 阻尼,需要指定两个卓越周期或频率所对应的阻尼比值,通常可以选定两个振型参与系数相对较大的周期或频率作为参考。当结构比较复杂时,应确保所计算的振型数的累积有效质量率大于95%,还应保证频率范围足够覆盖加速度反应谱的主要范围。

5.3.4消能结构的后处理及分析比较

图5-3 Sap2000非线性阻尼器

通过对计算结果的后处理可以有效评价消能减振结构的减振效果,在后处理的过程中应分别提取结构在设置阻尼器前及设置后的反应信息,并进行如下几个方面的比较:

● 层间位移的比较(Story Drifts ),对于混凝土框架结构而言,这项指标非常重要,它往往代

表结构所具有的变形能力;

● 楼层加速度的比较(Floor Accelerations ),一方面反应了结构在脉动风作用下舒适度情

况,另一方面则表明通过设置阻尼器可以降低结构构件在地震作用下的受力;

● 基底剪力在控制前后的比较(B ase Shear ),对于一些基底剪力不足的结构加固工程,这经

常是一项控制指标,代表着结构柱受到剪力的削弱情况;

● 顶点位移的比较(Roof Displacement ),某些规范的控制指标。

一方面可以通过数字列表的方式进行对比,也可采用图形的方式进行效果分析(如下图所示)。

位移(m )

时间(秒)

图5-4 时程曲线对比(位移)

需要补充的是,规范要求各地震输入的时程分析计算结果应与设计反应谱的计算结果对比,其误差要控制在一定的范围之内。如抗震规范要求采用弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

最后,需要订货采购的阻尼器应列出下表中的各个参数。这些都是生产阻尼器时所必须知道的。

5.4 抗风用阻尼器的设计

结构设计需要进行抗风计算,特别是高层结构和形体特殊的大跨结构等。一般说来抗风计算按照《高层建筑设计规程》用等效静力法进行分析。对于有特殊要求的结构,可以根据风振曲线的时程积分计算。风振曲线的获得要结合场地风的特性,可以由作风洞试验的单位提供,也可以人工合成人工风振曲线。

6.阻尼器的连接

两端饺接

多数阻尼器的安置是这种形式。两端用销子和支架相连,连接处内设球形转承。与销轴垂直的平面内可以自由转动,垂直于该平面内可以有微小的转动,一般小于6 o。

阻尼器和支座相连的方式有两种:通过两夹板过渡的单板支座(图6-1)和直接连到支座上的双板支座(图6-2)

图6-1单板支座连接方式

图6-2双板支座连接方式

附录:调谐质量阻尼器的振控性能

调谐质量阻尼器(TMD)是一种安置在结构中效果明显的、具有

实际意义的减震装置。如右图所示:该装置是一个由弹簧、质量块和

阻尼器组合而成的振控系统。这三个组成部分可以有很多不同的方法

实现,下面举例说明。

TMD装置本身是一个单自由度的振动系统,它给原结构增加了一

个振动自由度和振型。如果在刚性基础上设置TMD系统,它的固有频

c。可知外加的TMD系统的固有频率

率为k/m,阻尼比为/(2km)

取决于它本身的刚度k和质量m,并且一般略低于目标振型——原结

构振型的频率,也就是需要减振的目标振型。在TMD系统和目标振型间引起强烈的相互作用。目标振型将被两种振型所替代:一个略高于原始频率;另一个略低于原始频率。最重要的是,这两种被分开的振型全都会通过TMD系统的阻尼作用得到衰减。简单的说,TMD系统会吸收目标振型的振动能量并且通过其内部阻尼器的作用将这个能量转化为热量。

作为解决振动问题的设备,TMD装置有很多的特点和优点:

1.TMD装置的结构紧凑、加工精细,并且在结构上的安置方法简单。

2.TMD装置可以比较容易的安置在已设计好甚至是已建造好的建筑物上。

3.设计较理性的TMD装置可以在增加较小质量的前提下提高阻尼比。请参考图二和图三的关系曲线。其中图三所示TMD仅增加了原结构质量的1%,但却带来了很大的阻尼,在调谐正确的情况下可以达到5%。

4.TMD系统并不会影响原结构的刚度和静态受力情况。

5.设计TMD系统时,可以对通过简单经济的实验测试和分析来确定原结构的相关性能。事实上,用于实验的原结构模型可以很简单,仅根据单一的目标振型。

TMD的主要缺陷就是它是一种“作用范围小”的设备,它仅可以提高固定频率接近其本身频率的阻尼比。这就意味着如果目标频率范围很大的时候,我们需要加大的安置TMD装置的数量以提高振型的阻尼。

通常应用中TMD装置在设计和使用时最关键的是阻尼器设备,它是装置中提供和相对速度成比例的缓冲阻尼力并且将机械能转化成热能的部分。

摩擦阻尼器

摩擦阻尼器在工程结构中的研究与应用1 史春芳,徐赵东,卢立恒 东南大学土木工程学院,江苏南京(210096) E-mail:Shichunfang998@https://www.360docs.net/doc/0310676931.html, 摘要:摩擦阻尼器是一种耗能性能良好、构造简单、制作方便的减震装置。本文概述了摩擦阻尼器的种类、构造以及减震原理,介绍了摩擦阻尼器的力学模型和结构分析方法。摩擦阻尼器在实际中得到了大量的工程应用,本文简述了摩擦阻尼器在云南省洱源县振戎中学教学楼和食堂楼中的应用,以及在东北某大楼加固中的应用。 关键词:摩擦阻尼器,耗能减震,计算模型,分析方法 中国分类号:P315.966 1.引言 传统的抗震方法是通过结构本身的塑性变形来耗散地震能量,其实质就是把结构本身及构件作为“消能”元件,这样必然使结构产生不同程度的损坏,甚至产生严重的破坏和倒塌。结构控制,通过在结构上设置控制装置,由控制机构和结构一起来抵御地震等动力作用,使结构的动力反应减小。 在结构上附加耗能减震装置的减震方法是结构被动控制的一种。摩擦阻尼器作为一种耗能装置,因其耗能能力强,荷载大小、频率对其性能影响不大,且构造简单,取材容易,造价低廉,因而具有很好的应用前景。特别是在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应方面有独特优势。摩擦阻尼器对结构进行振动控制的机理是:阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形,依靠摩擦或阻尼耗散地震能量,同时,由于结构变形后自振周期加长,减小了地震输入,从而达到降低结构地震反应的目的。 2.摩擦阻尼器的种类、构造以及减震机理 摩擦阻尼器的发展始于20世纪70年代末,随后为适应不同类型的建筑结构,国内外学者陆续研制开发了多种摩擦阻尼器,其摩擦力大小易于控制,可方便地通过调节预紧力大小来确定。目前,研究开发的摩擦阻尼器主要有:普通摩擦阻尼器、Pall摩擦阻尼器、Sumitomo 摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、滑移型长孔螺栓节点阻尼器、T形芯板摩擦阻尼器、拟粘滞摩擦阻尼器、多级摩擦阻尼器以及一些摩擦复合耗能器。 图1为普通摩擦阻尼器的构造,它是通过开有狭长槽孔的中间钢板相对于上下两块铜垫板的摩擦运动而耗能,调整螺栓的紧固力可改变滑动摩擦力的大小[1]。滑动摩擦力与螺栓的紧固力成正比,另外,钢与铜接触面之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力差别小,滑动摩擦力的衰减也不大,保证摩擦耗能系统工作的稳定性。经过试验发现,摩擦力的衰减随螺栓紧固力的减小而增大,且摩擦力的衰减是螺栓松动引起的。 1本课题得到国家自然基金项目(50508010)、江苏省创新人才自然基金项目(BK2005410)和东南大学优秀青年骨干教师项目的资助。

建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介

1.阻尼器应用的设计目标和理念 传统建筑,无论木结构,钢筋混凝土,钢结构已经有上百年的抗风,抗震历史,为什么提出在这些建筑中添加阻尼器精简总结,有以下几点原因: ●对于一些使用要求较高的建筑结构(超高层,大跨结构等),地震,抗风形成动力难题,需 要更合理的解决办法; ●对比其他传统方案,减少结构受力体系的造价; ●科学不断发展,开辟了解决结构工程问题的新思路;可以使结构最大限度的保持在弹性范围 内工作,为结构提升安全保障。 以某抗震加固工程为例,我们对剪力墙(传统方案)和液体粘滞阻尼器两个方案从理念和计算结果作 展情况和我们的应用体会,我们再谈一下在建筑上使用阻尼器的目标和理念。简单的说,我们安置阻尼器可以有以下几个目的。 A增加抗震、抗风能力 原设计可能已经可以满足所有规范规定的抗震抗风要求,加上液体粘滞阻阻尼器,在振动过程中起到耗能和增加结构阻尼的作用,从而降低结构反应的基底剪力,减少整个结构的受力,也就可以大大提高结构的抗地震能力。同时,只要阻尼器安装的合适,设置到不同的需要方向,还可以预防和减少原设计没有考虑,或考虑不足的振动受力。 对特别重要的结构,高发地震区,花钱不多,设置这一第二防线是很值得的。对于非严重地震区,也可以用阻尼器达到抗风和增加抗震能力的目的。 B.用阻尼器去防范罕遇大地震或大风 按小震不坏大振不倒的原则,我们可以用常规的设计办法使设计满足多遇地震的抗震要求。对于罕遇的大地震可能显得不足、不理想或不经济。用结构的被动保护系统-特别是阻尼器来等待和解决这罕遇大地震的问题,不仅新建结构建议采用这一设计理念,原设计未设防抗震或设防不足的结构加固工程也很适于。 这一理念会带来经济实用和可靠的结果,设计的好,可以为工程节省费用。国外抗震先进国家大都采用这一理念。在所有可能发生地震的地区,我们主要想提出推广的这一设计理念。 国外有的工程,在结构的小振设计中也充分利用施加了阻尼器的优越。他们大胆的用加阻尼器后的修正反应谱作结构的设计。 C.减少附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动 在破坏性地震震害分析中,结构内部附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动和破坏越来越引起我们的注意。从经济上看,这些内部系统的价值可能远远超过结构本身。增加结构保护系统出于

弹簧质量阻尼系统的建模与控制系统设计

分数: ___________ 任课教师签字:___________ 华北电力大学研究生结课作业 学年学期:第一学年第一学期 课程名称:线性系统理论 学生姓名: 学号: 提交时 目录 目录 (1) 1 研究背景及意义 (3) 2 弹簧-质量-阻尼模型 (3) 2.1 系统的建立 (3) 2.1.1 系统传递函数的计算 (4) 2.2 系统的能控能观性分析 (6) 2.2.1 系统能控性分析 (6) 2.2.2 系统能观性分析 (7) 2.3 系统的稳定性分析 (7) 2.3.1 反馈控制理论中的稳定性分析方法 (7) 2.3.2 利用Matlab分析系统稳定性 (8) 2.3.3 Simulink仿真结果 (9) 2.4 系统的极点配置 (10) 2.4.1 状态反馈法 (10) 2.4.2 输出反馈法 (11) 2.4.2 系统极点配置 (11)

2.5系统的状态观测器 (13) 2.6 利用离散的方法研究系统的特性 (15) 2.6.1 离散化定义和方法 (15) 2.6.2 零阶保持器 (16) 2.6.3 一阶保持器 (17) 2.6.4 双线性变换法 (18) 3.总结 (18) 4.参考文献 (19)

弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计 1 研究背景及意义 弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统,在生活中具有相当广泛的用途,缓冲器就是其中的一种。缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件,其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。缓冲器在生活中处处可见,例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器,其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全;另外,天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。因此,对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。 2 弹簧-质量-阻尼模型 数学模型是定量地描述系统的动态特性,揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。其中,微分方程是基本的数学模型,不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。所以,建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提。通常情况下,列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。 弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。机械系统如图2.1所示, 图2-1弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图 其中、表示小车的质量,表示缓冲器的粘滞摩擦系数,表示弹簧的弹性系数,表示小车所受的外力,是系统的输入即,表示小车的位移,是系统的输出,即,i=1,2。设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比,其中,,,,,。 2.1 系统的建立

阻尼器设计

1.结构设计 2.工作原理 2.1磁流变液 磁流变液是在1948 年被Rabinow,J.发明的一种由非磁性基液(如矿物油、硅油等)、微小磁性颗粒、表面活性剂(也称稳定剂)等组合而成的智能型流体材料。在无磁场加入的条件下,磁流变液将表现为低粘度较强流动性的牛顿流体特性,加入磁场后,则会表现为高粘度低流动性的Bingham 流体特性。 非磁性基液是一种绝缘、耐腐蚀、化学性能稳定的有机液体。基液所拥有的特征是:粘度较低,磁流变液在没有磁场加入的条件下表现为低粘度状态,这样能够较好的降低磁流变液的零场粘度; 沸点高、凝固点较低,这样就可以确保磁流变液在温度变化波动较大的环境下工作依然可以保持较高的稳定性;较高的密度,能够保证磁流变液不会因沉降问题而无法正常使用; 无毒无味、廉价,保障其安全性的同时做到能够广泛使用。 微小磁性颗粒是一种可离散、可极化的软磁性固体颗粒,其单位是微米数量级的。其主要的特征有[5]: 低矫顽力,对于已经磁化过的液体,加较小的磁场就能够使其恢复零磁场状态,即拥有较高的保磁能力; 高磁导率,能够在弱磁场中获得较强的磁感应强度从而节约能量;磁滞回线狭窄、内聚力小; 磁性颗粒的体积应相对大一些,用于存贮更多的能量。 表面活性剂是可以增加溶液或混合物等稳定性的化学物质。在实际使用过程中,磁流变液比较容易出现沉降分层现象,所以需要在磁流变液中加入表面活性剂保证物理化学性能的平衡,减少分层、降低沉降。 2.2磁流变液的工作模式 磁流变液在外加磁场影响下出现磁流变效应现象,改变流体的表观粘度、流动状态,从而改变剪切屈服应力等参数,使输出的阻尼力能够实时变化,达到所期望的目的。现如今,磁路变液的一般工作模式有三类:流动式、剪切式及挤压式,如下图所示。 (a)流动式(b)剪切式(c)挤压式 图1-3 磁流变液工作模式 Fig. 1-3 MR fluid working mode 流动式:如图1-3(a)所示,在两块固定静止的磁极板中间具有充足的磁流变液,对磁流变液施加一个压力使其流过两磁极板,其中,两极板之间外加了与磁流变液运动方向垂直的磁场。当磁性液体经过磁场时,其流体特性与流动状态被改变从而产生剪切应力即阻尼力。改变线圈的输入电流强弱从而使磁场强度发生变化,阻尼力也会跟着变化,实现实时调节的效果。流动式多用于控制阀、阻尼器、电磁元件等的设计。

20160803摩擦阻尼器研究分析

按照领导旨意: 摩擦阻尼消能减震技术的研究启动,对其基本概念提起审阅; 1.四种技术类型:摩擦耗能节点;板式摩擦阻尼器;筒式摩擦阻尼器;复合型摩擦阻尼器; 2.消能减震设计:一种新的抗震方法;“摩擦消能器”是一种构造简单,经济耐用的消能装置,适用于工程结构抗震。 3.四种控制形式:被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制; 3.1被动控制减震技术的核心在于安装于结构中的阻尼器这种装置; 3.2结构震动控制就是通过调整结构的动力特性或提供外力抵御和地震载荷作用,让结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用,达到控制结构形态,减轻结构动力响应目的 3.3被动控制:不需要外部能源输入提供控制力控制过程不受结构反应和外界条件影响的控制方法。一般是在结构的某些部位附加子系统来改变结构的动力特性,消耗震动能量,达到减小结构动力反应的目的。 3.4被动控制技术因其造价低、可靠性高、施工简便的特点而得到广泛地应用。 3.5被动控制主要分为:结构隔震、动力吸震和消能减震。 3.6消能减震:就是把结构的某些非承重构件(如支撑、连接件等)设计成耗能杆件,或在结构的某些部位(节点、支撑等)装设阻尼装置,通过阻尼装置产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)、弹塑(或粘滞、粘弹)性滞回变形来耗散输入结构中的能量,以减小主体结构地震反应,从而避免结构发生破坏或倒塌。达到减震控制的目的。 3.7在消能减震理论分析、设计方法和试验经大量研究并制作多种消能器。在风载和小震作用下,消能器为结构提供足够的初始刚度,使结构处于弹性状态,当结构遭遇中、强震时,消能器发挥作用,产生较大阻尼,耗散地震能量,减轻结构损伤。 4.新型阻尼器“变阻尼粘滞阻尼器”: 4.1“可变阻尼力摩擦减振装置”: “向心式摩擦阻尼器”通过活塞、特别设计的阻尼棒共同控制阻尼的大小,使得阻尼可变可控,在不同的工作阶段可以预先设定为不同的参数值,不需要通

赛弗粘滞阻尼器技术手册

赛弗 粘滞阻尼器 技术手册赛弗

CONTENT目录 P2 - P4 P5 - P6 P7 P8 - P9 P10 - P17上海赛弗工程减震技术有限公司 1. SF-VFD产品简介 …………… 产品构造及原理 技术参数 产品特点 SF-VFD 2. SF-VFD产品应用策略……… SF-VFD产品应用领域 国外案例 3. SF-VFD产品试验…………… 4. 工程案例 ……………………… 5. SF-VFD黏滞阻尼器参数表…

SF-VFD 支撑式黏滞阻尼器构造如右图所示,主要由高硬度缸筒、高精度活塞、活塞杆、特殊填充材料、关节耳环及大量高性能配件组成,当缸内的活塞进行往复运动时,填充材料从阻尼孔中高速流过从而产生剪切阻抗力。 SF-VFD 黏滞阻尼器阻尼力的大小与活塞运动速度非线性相关,可用下式表达: 1 SF-VFD 产品简介 1.1产品构造及原理 F=Csign(v)|v| α 1.2 技术参数 式中: C — 阻尼系数; v — 活塞与缸筒的相对运动速度; α — 速度指数,根据工程需求选取,选取范围为0.2~1.0。 (α为SF-VFD 的主要性能指标参数) 1)良好的耗能能力 试验表明,在简谐荷载作用下,黏滞阻尼器力-位移曲线如图1.2所示,阻尼器具有良好的耗能能力,且速度指数α越小,滞回曲线越饱满。 1.3 产品特点 图1.1 黏滞阻尼器构造 (a)斜撑型 (b)剪切连接型 (c)支撑型 图1.2 黏滞阻尼器滞回曲线图1.3 拟加速度反应谱图 1.4 拟速度反应谱 2)控制结构在地震中的振动响应 黏滞阻尼器应用于建筑中可改善结构阻尼特性,对结构在地震作用下的振动响应进行控制,有效降低结构层剪力及层间位移。 3)布置灵活安装方式多样性 根据结构特点及建筑需求可灵活布置黏滞阻尼器,同时提供多种阻尼器安装方式,如斜撑型、剪切连接型、墙 型、肘节型等,其中前三种安装方式较为常用。 4)小震作用下即可进入耗能 黏滞阻尼器滞回曲线由于不存在弹性段,因此在外部振动能量输入时能够即时的进入耗能状态。 黏滞阻尼器滞回曲线 SF-VFD

二阶弹簧—阻尼系统,PID控制器设计,参数整定

二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定

一、PID 控制的应用研究现状综述 PID 控制器(按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制 的调节器)自20世纪30年代末期出现以来,在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单,参数易于调整,在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中,由于被控制对象的精确的数学模型难以建立,系统的参数经常发生变化,运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价,而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中,PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性,PID 算法可以得到修正和完善,从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。 二、研究原理 比例控制器的传递函数为:()P P G s K = 积分控制器的传递函数为:11()PI P I G s K T s =+ ? 微分控制器的传递函数为:11 ()PID P D I G s K T s T s =+ ?+? 三、设计题目 设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果(被控对象为二阶环节,传递 函数()G S ,参数为M=1 kg, b=2 N.s/m, k=25 N/m, F(S)=1);系统示意图如图1所示。

图1 弹簧-阻尼系统示意图 弹簧-阻尼系统的微分方程和传递函数为: F kx x b x M =++ 25 21 1)()()(22++= ++== s s k bs Ms s F s X s G 四、设计要求 通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器(分别使用P 、PI 、PID 控制器)设计及其参数整定,定量分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。同时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅助设计,学会运用SIMULINK 对系统进行仿真,掌握PID 控制器参数的设计。 (1)控制器为P 控制器时,改变比例带或比例系数大小,分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。 (2)控制器为PI 控制器时,改变积分时间常数大小,分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。(当kp=50时,改变积分时间常数)

机械优化设计阻尼牛顿法复习过程

目录第1章选择方法及思路1 1.1 概述 (1) 1.1.1 优化设计 (1) 1.1.2 优化设计的思想 (1) 1.1.3 优化设计的步骤 (1) 1.2 优化设计的方法 (1) 1.2.1 分类 (1) 1.2.2 常用的优化方法 (2) 第2章阻尼牛顿法计算应用 (4) 2.1 阻尼牛顿法的计算步骤 (4) 2.2 阻尼牛顿法的程序框图 (5) 2.3 实例解析 (5) 2.4 阻尼牛顿法的程序编程 (6) 第3章总结 (9)

第 1 章选择方法及思路 1.1概述 1.1.1优化设计 优化设计是一种规格化的设计方法,它首先要求将设计问题按优化设计所规定的格式建立数学模型,选择合适的优化方法及计算机程序,然后再通过计算机的计算,自动获得最优设计方案。 1.1.2优化设计的思想 优化设计的指导思想源于它所倡导的开放型思维方式,即在面对问题时,抛开现实的局限去想象一种最理想的境界,然后再返回到当前的现状中来寻找最佳的解决方案.在管理学中有一句俗语,“思路决定出路,心动决定行动”.如此的思维方式有助于摆脱虚设的假象,这并非属于异想天开或者好高骛远的空想,而是强调一切从未来出发,然后再从现实着手。 1.1.2优化设计的步骤 一般来说,优化设计有以下几个步骤: 1、建立数学模型 2、选择最优化算法 3、程序设计 4、制定目标要求 5、计算机自动筛选最优设计方案等 1.2优化设计的方法 1.2.1分类 根据讨论问题的不同方面,有不同的分类方法: 1、按设计变量数量来分 (1)单变量(一维)优化

(2)多变量优化 2、按约束条件来分 (1)无约束优化 (2)有约束优化 3、按目标函数来分 (1)单目标优化 (2)多目标优化 4、按求解方法特点 (1)准则法 (2)数学归纳法 1.2.2常用的优化方法 常用的优化方法:单变量(一维)优化,无约束优化,多目标函数优化,数学归纳法。 1、单变量(一维)优化 (1)概述 单变量(一维)优化方法是优化方法中最简单、最基本的方法。 (2)具体优化方法 1)黄金分割法(0.618法) 黄金分割是指将一段线段分成两端的方法,使整段与较长段的比值等于较长段与较短段的比值,即 2)插值法 插值法又称“内插法”,是利用函数f (x)在某区间中若干点的函数值,作出适当的特定函数,在这些点上取已知值,在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f (x)的近似值,这种方法称为插值法。 黄金分割法(0.618法)与插值法的比较 相同点: 两种方法都是利用区间消去法原理将初始搜索区间不断缩短,求得极小值的

压力表附件过压保护器.阻尼器详细说明书

Pressure Gauge Cocks DIN 16262 DIN 16263 11100 Process Connection Male thread connection ?" BSP Instrument Connection Clamping sleeve ?" BSP female Nominal Pressure PN 16Handle Plastic Material ?Brass (Clamping sleeve alloy steel phosphatized)Ordering number: Z – 01 10 01 ?Alloy steel Ordering number: Z – 01 20 01?Stainless steel 316 Ti (1.4571)Ordering number: Z – 01 30 01 Test Flange 60 x 25 x 10 mm (2.36 x .98 x .39")Process Connection Male thread connection ?" BSP Instrument Connection Clamping sleeve ?" BSP female Nominal Pressure PN 16Handle Plastic Material ?Brass (Clamping sleeve and cover cap alloy steel phosphatized)Ordering number: Z – 01 10 02 ?Alloy steel Ordering number: Z – 01 20 02?Stainless steel 316 Ti (1.4571) Ordering number: Z – 01 30 02 Process Connection Male thread connection M 20 x 1.5Instrument Connection Clamping sleeve M 20 x 1.5 female Nominal Pressure PN 16Handle Plastic Material ?Brass (Clamping sleeve alloy steel phosphatized)Ordering number: 01 10 11 ?Alloy steel Ordering number: 01 20 11 ?Stainless steel 316 Ti (1.4571)Ordering number: 01 30 11 M 20 x 1.5 Test Connection Male Thread M 20 x 1.5Process Connection Male thread connection ?" BSP Instrument Connection Clamping sleeve ?" BSP female Nominal Pressure PN 16Handle Plastic Material ?Brass (Clamping sleeve and cover cap alloy steel phosphatized)Ordering number: Z – 01 10 03 ?Alloy steel Ordering number: Z – 01 20 03?Stainless steel 316 Ti (1.4571) Ordering number: Z – 01 30 03 6: G ? B 6: 6: Applications Fluid or gaseous media resp. steam at temperatures between -10 °C to +50 °C ( 14 °F to 122 °F); For connecting to a pressure gauge with flat sealing ring EN 837(DIN 16 258) Special Configurations ?Pressure gauge cocks DIN 16263 with test connection male thread M 20 x 1,5, process connection male thread M 20 x 1,5,instrument connection clamping sleeve M 20 x 1,5 female upon request ?Other special configurations upon request The information in this leaflet is given in good faith, but we reserve the right to make changes without notice. The operating positions are engraved on the plug of the cock:Venting ("Entlüften") Operating ("Betrieb") Blowing-out ("Ausblasen") Testing ("Prüfen"; only cocks with test connection)

摩擦型阻尼器工作原理

随着国内外研究人员的不断研究,摩擦阻尼器的种类越来越多,不仅开发出普通摩擦阻尼器,还开发出Pall摩擦阻尼器及Sumitomo摩擦阻尼器等多种摩擦阻尼器,其工作原理是利用摩擦阻尼器进行减震的方法能够有避免对建筑物结构本身的破坏。 原理: 传统的抗震方法是通过结构本身的塑性变形来耗散地震能量,其实质就是把结构本身及构件作为“消能”元件,这样必然使结构产生不同程度的损坏,甚至产生严重的破坏和倒塌。结构控制,通过在结构上设置控制装置,由控制机构和结构一起来抵御地震等动力作用,使结构的动力反应减小。 优点: 在结构上附加耗能减震装置的减震方法是结构被动控制的一种摩擦阻尼器作为一种耗能装置,因其耗能能力强,荷载大小、频率对其性能影响不大,且构造简单,特别是在控制结构近断层地震反应和中高层结构地震反应方面有较好的优势。 对结构进行振动控制机理是:阻尼器在主要结构构件屈服前的预定荷载下产生滑移或变形,依靠摩擦或阻尼耗散地震能量,同时,由于结构变形后自振周期加长,减小了地震输入从而达到降低结构地震反应的目的。

构造: 主要包括中间钢板,两外侧钢板以及钢板之间的摩擦材料,由中间钢板与摩擦材料之间的相对滑移产生摩擦力,将建筑物的振动能量转化成热能,从而达到减轻结构振动响应的目的。 上述内容仅供参考,如有需求,可咨询专业的生产厂家:南京大德减震科技有限公司进行详细的了解,以市场为导向,提供专业的工程减隔震技术咨询、各类减隔震产品的生产、试验、销售、安装、售后服务等一体化服务,拥有专利二十余项,拥有丰富的减震产品研发制造经验,参与过奥林匹克工程多项国家重点工程方案设计、产品制造、安装、售后等工作。

二阶弹簧阻尼系统ID控制器设计参数整定

二阶弹簧阻尼系统I D控制器设计参数整定 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

二阶弹簧—阻尼系统的PID 控制器设计及参数整定 一、PID 控制的应用研究现状综述 PID 控制器(按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器)自20世纪30年代末期出现以来,在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单,参数易于调整,在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中,由于被控制对象的精确的数学模型难以建立,系统的参数经常发生变化,运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价,而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中,PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性,PID 算法可以得到修正和完善,从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。 二、研究原理 比例控制器的传递函数为: ()P P G s K = 积分控制器的传递函数为: 11()PI P I G s K T s =+? 微分控制器的传递函数为: 11()PID P D I G s K T s T s =+?+? 三、设计题目 设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果(被控对象为二阶环节,传递 函数()G S ,参数为M=1 kg, b=2 m, k=25 N/m, F(S)=1);系统示意图如图1所示。 图1 弹簧-阻尼系统示意图 弹簧-阻尼系统的微分方程和传递函数为: 四、设计要求

通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器(分别使用P 、PI 、PID 控制器)设计及其参数整定,定量分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。同时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅助设计,学会运用SIMULINK 对系统进行仿真,掌握PID 控制器参数的设计。 (1)控制器为P 控制器时,改变比例带或比例系数大小,分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。 (2)控制器为PI 控制器时,改变积分时间常数大小,分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。(当kp=50时,改变积分时间常数) (3)设计PID 控制器,选定合适的控制器参数,使阶跃响应曲线的超调量%20%σ<,过渡过程时间2s t s <,并绘制相应曲线。 图2 闭环控制系统结构图 五、设计内容 (1)P 控制器:P 控制器的传递函数为: ()P P G s K =(分别取比例系数K 等于1、10、30和50,得图所示) Scope 输出波形: 仿真结果表明:随着Kp 值的增大,系统响应超调量加大,动作灵敏,系统的响应速度加快。Kp 偏大,则振荡次数加多,调节时间加长。随着Kp 增大,系统的稳态误差减小,调节应精度越高,但是系统容易产生超调,并且加大Kp 只能减小稳态误差,却不能消除稳态误差。 (2)PI 控制器:PI 控制器的传递函数为: 11()PI P I G s K T s =+? (K=50, 分别取积分时间Ti 等于10、1和得图所示)

HLMZ-Q系列气囊式脉动阻尼器说明书

HLMZ-Q系列 气囊式脉动阻尼器说明书 一、产品概述 脉动阻尼器是消除管路脉动的常用元件,是计量泵必须配备的 附件。HLMZ-Q系列气囊式脉动阻尼器能够平滑由柱塞泵、隔膜泵 等容积泵引起的管路脉动及消除系统的水锤现象,它由耐腐蚀的气 囊将气体与管路中的液体隔离,通过气室容积的变化平滑管路脉动,对受压液体的能量进行储存和释放。该系列产品广泛用于化工、水处理、食品饮料、电力、造纸、纺织及流体机械等行业。 二、主要功能 1.消除水锤对系统的危害。 2.减小流速波动的峰值。 3.减少压力波动对管路、弯头、接头的冲击。 4.吸收泵的脉动,为其创造良好的工作环境并改善泵的工作性能。 5.和背压阀等配合使用可以使管路的压力波动接近为零。 6.紧急或快速储存能源,降低系统能耗。 7.作为辅助能源,允许系统选用略小的泵型和使用更小的管径,降 低成本。 8.在系统中作为容积补偿和压力补偿元件。 三、工作原理 气囊式脉动阻尼器是一种专门为蓄集受压液体而达到平滑脉动效果的装置。液体是不可压缩的,利用气体的可压缩性来达到储存和释放能量的目的。可伸缩的胶囊装在阻尼器壳体中,通过专用充气阀将惰性气体充入胶囊,气体膨胀,充满阻尼器壳体的整个容积。当管路压力大于预充气体压力时,液体进入阻尼器内,胶囊被压缩,气体容积减小。当达到气体压力与液体压力平衡时,气体容积的变化量即为可利用做功的有效容积。注: 1.可根据客户要求把脉动阻尼器壳体做成UPVC、PP、316、1Cr18Ni9Ti、碳钢等材质。 2.气囊也可根据耐蚀情况选用不同材质的橡胶,以在一些特定环境中使用。 3.与客户端的联接螺纹或法兰可按客户的要求制作。 4.可根据客户要求做成带或不带压力表式。 八、注意事项 1.安装在离泵距离近的位置平滑脉动的效果会更好。 2.竖直安装比水平安装效果更好。 3.预充气体压力并非越大越好。 4.避免与系统发生共振。 5.与背压阀同时使用时,应安在泵与背压阀间,以吸收泵与背压 阀间的流量峰值,减缓背压阀的磨损速度。 6.脉动阻尼器应在室内使用,避免阳光直射,远离火源、热源。 室外使用应加防护棚或防护罩。 7.若管路液体为危险品,应为脉动阻尼器加防护罩,防止壳体破 裂后溢出的物料伤害人体或者污染环境。 8.每天检查预充气体压力,塑料材质的每月检查壳体有无破裂,每2500小时或六个月检查一次气囊,根据实际情况决定是否更换。 9.海蓝气囊式脉动阻尼器不是传热元件,使用过程中不得对脉动 阻尼器加热或冷却。 10.对脉动阻尼器进行任何维护以前,应停止运转设备,释放压力,关闭脉动阻尼器与系统相联的阀门,确认脉动阻尼器内没有 压力。维修时注意防止被输送液体伤害人体。 11.运转过程中发现气囊破裂应及时切断电源。 12.若长期不使用,需清洗阻尼器内被输送的残留物,释放气囊内 的气体,密封保存。结束保存期后,需重新测试脉动阻尼器的密封状况及检查气囊是否损坏。 13.若有疑问,请与我公司联系。

新型摩擦阻尼器在建筑结构抗震的应用

新型摩擦阻尼器在建筑结构抗震的应用 [摘要]提出了一种新型摩擦阻尼器,构造简单、工作机理明确,能够提供随着位移变化而变化的摩擦力,给出了连续性滞回模型描述其力学性能,进行了新型摩擦阻尼器和普通摩擦阻尼器的非线性比较和分析,结果表明:在不同地震波作用的情况下,采用本文提出的新型摩擦阻尼器对体系位移和加速度控制效果最佳。 [关键词]摩擦阻尼器;滞回模型;振动控制;抗震

传统的建筑结构抗震设计理念是通过增大结构自身的抗震性能(强度、刚度或延性)来抵御地震作用,利用结构自身储存或者耗散输入的能量,这种方法不具备自我调节与控制的能力[1]。20世纪70年代学者将振动控制理念引入土木工程领域,在结构振动控制理论、方法以及工程应用等方面均取得了大量成果,理论实践表明,结构振动控制能有效减小结构在外荷载作用下的反应和损失,是一种有效的抗震减灾技术。按照是否需要外部能量输入可以对结构振动的控制分为主动控制、被动控制、两者结合控制。主动控制通过对结构加设消能装置或者将结构构件设计为消能构件,通过消能装置和结构共同作用来吸收或者耗散输入能量,成为目前结构控制领域关注的热点。常用的耗能装置有位移型阻尼器、速度型阻尼器和混合型阻尼器。摩擦阻尼器属于位移型阻尼器,具有构造简单、耗能能力强等优点,成为建筑结构被动控制领域常用的耗能装置。近40多年来,国内外研究人员针对摩擦耗能器开展了大量研究,研发出的摩擦耗能器主要有:普通摩擦耗能器、Pall耗能器、摩擦剪切铰耗能器、EDR摩擦耗能器、多级摩擦耗能器、摩擦复合耗能器。多数摩擦耗能器是位移型消能装置,只有在外力作用超过起滑力之后才产生滑动实现耗能,在运动过程中正压力和摩擦面系数保持不变。消能效果与起滑力设定具有密切联系,起滑力过大则耗能器不产生滑动,消能为零,可能会增大结构内力;起滑力过小,可能小震或者风振作用下耗能器就起滑,虽然滑动位移较大,但耗能效果欠佳。传统摩擦消能器不能根据结构的对作用力反应,实现对结构自有特性的改变,在结构振动控制领域具有一定局限性[2]。早在1990年Kobri便提出了结构半主动变刚度控制方法[3];2006年我国学者赵东等提出了一种可控变力单向摩擦阻尼器,利用振源位移反馈信号进行主动控制[4];2010年,王茜茜等提出了一种具有简单控制律的Off-On

粘滞阻尼器工作原理及组成

粘滞阻尼器的工作组成及原理 传统抗震方法是依靠构件的弹塑性变形并吸收地震能量来实现的。这种传统设计方法在很多时候是有效的,但也存在着一些问题。随着建筑技术的发展,房屋高度越来越高结构跨度越来越大,而构件端面却越来越小,已经无法按照传统的加大构件截面或加强结构刚度的抗震方法来满足结构抗震和抗风的要求。 粘滞阻尼器是一种速度相关型的耗能装置,它是利用液体的粘性提供阻尼来耗散振动能量,以粘滞材料为阻尼介质的,被动速度型耗能减震(振)装置。主要用于结构振动(包括风、地震、移动荷载和动力设备等引起的结构振动)的能量吸收与耗散、适用于各种地震烈度区的建筑结构、设备基础工程等,安装、维护及更换都简单方便。 粘滞阻尼器由缸筒、活塞、粘滞流体和导杆等组成缸筒内充满粘滞流体,活塞可在缸筒内进行往复运动,活塞上开有适量的小孔或活塞

与缸筒留有空隙。当结构因变形使缸筒和活塞产生相对运动时,迫使粘滞流体从小孔或间隙流过,从而产生阻尼力,将振动能量通过粘滞耗能消掉,达到减震的目的。 粘滞阻尼器的特点是对结构只提供附加阻尼,而不提供附加刚度,因而不会改变结构的自振周期。其优点是1.经济性好,可减少剪力墙、梁柱配筋的使用数量和构件的截面尺寸。2.适用性好,不仅能用于新建土木工程结构的抗震抗风,而且能广泛应用于已有土木工程结构的抗震加固或震后修复工程。3.安装了粘滞性耗能器的支撑不会在柱端弯矩最大时给柱附加轴力。4维护费用低。缺点是暂无。粘滞性阻尼器的最新进展是与磁流变体智能材料的联合使用,通过联合拓宽了粘滞性耗能器的发展空间。 粘滞阻尼器通常和支撑串连后布置于结构中,不同的安装形式直接影响到阻尼器的工作效率。到目前为止,实际工程的应用中多采用斜向型和人字型安装方式,这是由于其构造简单、易于装配。剪刀型和肘节型安装方式能把阻尼器两端的位移放大,即起到把阻尼器的效果放大的作用,具有更好的消能能力,但因受到安装机构造型和施工工艺复杂的限制,运用较少。

二阶弹簧—阻尼系统,PID控制器设计,参数整定

*** 二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定

一、PID 控制的应用研究现状综述 PID 控制器(按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器)自20 世纪30 年代末期出现以来,在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。它的结构简单,参数易于调整, 在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控制中, 由于被控制对象的精确的数学模型难以建立,系统的参数经常发生变化,运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价,而且难以得到预期的控制效果。在应用计算机实现控制的系统中,PID 很容易通过编制计算机语言实现。由于软件系统的灵活性,PID 算法可以得到修正和完善,从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。 二、研究原理 比例控制器的传递函数为:G (s) K P P G (s) K PI P 1 1 T s I 积分控制器的传递函数为: 1 1 G (s) K T s PID P D T s I 微分控制器的传递函数为: 三、设计题目 设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果(被控对象为二阶环节,传递函数G S ,参数为M=1 kg, b=2 N.s/m, k=25 N/m, F(S)=1 );系统示意图如图 1 所示。

图1 弹簧-阻尼系统示意图弹簧-阻尼系统的微分方程和传递函数为:M x bx kx F G( s) X F ( ( s) s) Ms 1 1 2 bs k s2 s 2 25 四、设计要求 通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器(分别使用P、PI、PID 控制器)设计及其参数整定,定量 分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。同 时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅 助设计,学会运用SIMULINK 对系统进行仿真,掌握PID 控制器参数的设计。 (1)控制器为P 控制器时,改变比例带或比例系数大小,分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。 (2)控制器为PI 控制器时,改变积分时间常数大小, 分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。(当kp=50 时,改变积分时间常数)

控制系统仿真与CAD课程设计(二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定)

设计一:二阶弹簧—阻尼系统的PID 控制器 设计及其参数整定 一设计题目 考虑弹簧-阻尼系统如图1所示,其被控对象为二阶环节,传递函数G(S)如下,参数为M=1kg ,b=2N.s/m ,k=25N/m ,F (S )=1。 图1 弹簧-阻尼系统示意图 弹簧-阻尼系统的微分方程和传递函数为: F kx x b x M =++ 25211) ()()(2 2 ++= ++= = s s k bs Ms s F s X s G 二设计要求 1. 控制器为P 控制器时,改变比例系数大小,分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。 2. 控制器为PI 控制器时,改变积分时间常数大小,分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。(例如当kp=50时,改变积分时间常数) 3. 设计PID 控制器,选定合适的控制器参数,使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%,过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。

图2 闭环控制系统结构图 三设计内容 1. 控制器为P 控制器时,改变比例系数p k 大小 P 控制器的传递函数为:()P P G s K ,改变比例系数p k 大小,得到系统的阶跃响应曲线 00.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Step Response Time (sec) A m p l i t u d e 仿真结果表明:随着Kp 值的增大,系统响应超调量加大,动作灵敏,系统的响应速度加快。Kp 偏大,则振荡次数加多,调节时间加长。随着Kp 增大,系统的稳态误差减小,调节应精度越高,但是系统容易产生超调,并且加大Kp 只能减小稳态误差,却不能消除稳态误差。 程序: num=[1]; den=[1 2 25]; sys=tf(num,den); for Kp=[1,10:20:50]

附加阻尼结构的理论分析与设计方法

附加阻尼处理结构的理论分析与设计方法 吕毅宁 (lvyining@https://www.360docs.net/doc/0310676931.html,) 附加阻尼处理结构的理论分析与设计方法 (1) 1概述 (1) 2基本理论 (2) 3阻尼材料及其特性 (3) 4分析方法 (3) 4.1复刚度法 (4) 4.2变形能法 (4) 4.3模态分析法和有限元法 (4) 4.3.1粘弹性结构的有限元建模方法及比较 (5) 4.3.2粘弹性结构动力问题的有限元分析概述 (7) 4.3.3弹性—粘弹性复合结构的有限元模型和动力学方程 (11) 4.3.4复合结构的有限元动力方程的求解方法——稳态、瞬态 (17) 4.4粘弹性材料本构模型 (18) 4.5表面阻尼处理简单结构元件的分析方法 (20) 4.6表面阻尼处理复杂结构的分析方法 (20) 5自由阻尼结构的设计 (20) 5.1参数优化设计 (20) 5.2拓扑(布置)优化设计 (21) 6粘弹性阻尼在汽车中的应用 (21) 6.1概述 (21) 6.2约束阻尼层新技术2—conformal constrained layer damping (23) 6.3自由阻尼层新技术 (23) 6.4约束阻尼层新技术2—laminated vibration damped steel (23) 6.5车身底板的阻尼处理技术 (24) 6.6其它结构阻尼处理技术 (30) 7表面阻尼处理材料和结构产品供应商 (32) 7.1表面阻尼处理材料 (32) 7.2约束阻尼处理结构 (34) 1 概述 表面阻尼处理是提高结构阻尼、抑制共振、改善结构抗振降噪性能的有效方法之一。这种技术已经广泛应用于航空航天、交通运输、轻工纺织等行业。表面阻尼处理主要应用于以弯曲振动为主的薄壁零件,例如梁类、板类、管壳类结构件等。表面阻尼处理方法包括两类,即自由阻尼处理和约束

摩擦型连梁阻尼器的制作流程

图片简介: 本技术新型介绍了一种摩擦型连梁阻尼器,包括连接件,该连接件包括左连接件和右连接件,分别用于安装在左、右联肢剪力墙之间连梁的中部,且连接连梁的相对两端;约束部,该约束部设置于所述左连接件与所述右连接件之间,用于连接所述左连接件和所述右连接件,所述约束部的其中一侧通过焊接固定于左连接件,另一侧通过连接螺栓与右连接件固定连接。有益效果在于:可对连梁本身、两侧联肢剪力墙构件及底部剪力墙构件进行更好的保护;提供的摩擦力恒定,可限制与其相连的周围结构构件的内力上限,从而降低周边连接构件的设计和施工难度;能够实现震后快速维修和快速恢复功能。 技术要求 1.一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于,包括: 连接件,该连接件包括左连接件(1)和右连接件(4),分别用于安装在左、右联肢剪力墙(8)之间连梁的中部,且连接连梁的相对两端; 约束部,该约束部设置于所述左连接件(1)与所述右连接件(4)之间,用于连接所述左连接件(1)和所述右连接件(4),所述约束部为平板结构,所述约束部的其中一侧通过焊接固定于左连接件(1),另一侧通过连接螺栓(6)与右连接件(4)固定连接;

中部剪切板(401),该中部剪切板(401)设置于所述右连接件(4)上且贴合在所述约束部的内侧,所述中部剪切板(401)通过连接螺栓(6)与约束部连接,且所述中部剪切板(401)上成型有长槽孔(402),所述连接螺栓(6)贯穿该长槽孔(402)后与所述约束部固定连接,从而使所述中部剪切板(401)可沿该长槽孔(402)方向做贴合约束部平面的滑动;所述连接螺栓(6)未贯穿中部剪切板(401)一端与所述约束部之间设置有弹性件;所述中部剪切板(401)与所述约束部之间设置有摩擦芯板(7),摩擦芯板(7)嵌固于所述约束部两侧钢板的内侧。 2.根据权利要求1所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述左连接件(1)包括竖直设置的左套筒固定板(102),所述左套筒固定板(102)的一侧表面设置有若干个左连接套筒(101),另一侧设置有连接所述约束部的连接板(103); 所述右连接件(4)包括竖直设置的右套筒固定板(404),所述右套筒固定板(404)的一侧表面设置有若干个右连接套筒(403),所述中部剪切板(401)垂直设置于所述右套筒固定板(404)的另一侧中部。 3.根据权利要求2所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述长槽孔(402)设置有两个,且均与所述右套筒固定板(404)相互平行;所述连接螺栓(6)共有四组,且呈矩形分布,每个所述长槽孔(402)均对应贯穿两组连接螺栓(6)。 4.根据权利要求1所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述约束部共设置有两块约束钢板,且分别设置于所述中部剪切板(401)的两侧。 5.根据权利要求4所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述约束部为约束钢板(3),所述约束钢板(3)上成型有配合所述固定螺栓(2)和所述连接螺栓(6)的孔位。 6.根据权利要求4所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述摩擦芯板(7)共设置由两块,其分别嵌固于所述约束部两侧钢板的内侧,且分别贴合在所述中部剪切板(401)的两侧表面;该摩擦芯板(7)上成型有配合所述连接螺栓(6)的孔位。 7.根据权利要求1所述一种摩擦型连梁阻尼器,其特征在于:所述弹性件为蝶形弹簧(5)。

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