基于等效线性化方法的新型阻尼器优化设计方法与应用

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1、基于等效线性化方法的新型阻尼器优化设计方法与应用TheOptimalDesignandApplicationofAnInnovativeDampingDevicesBasedonEquivalentLinearizationMethod工程领域：建筑与土木工程作者姓名：范涛指导教师：李宁副教授企业导师：陈明阳高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十二月摘要地震对建筑结构造成破坏，且严重威胁着人类的生命财产安全。结构振动控制技术突破传统抗震设计理念，通过附加减震控制装置与结构体系共同抵御地震作用，有效降低结构的振动响应，提高结构抗震性能。本文

2、以被动控制装置中的新型阻尼器—旋转惯性质量阻尼器（Gyro-MassDamper，GMD）为研究对象开展研究，包括阻尼器模型试验数据分析和模拟模型建立、安装GMD的单自由度结构优化设计，以及减震效果对比验证。本文的主要研究工作和成果如下：（1）基于滚珠丝杠装置的运行机制和细部构造，分析质量和阻尼放大效应产生的机理，发现调节滚珠丝杠装置的先导长度可同时对两种效应进行优化；依据已有低频低幅值试验数据，分析GMD的摩擦效应，建立SIMULINK模型对GMD参数进行辨识，考虑摩擦并建立相应的模拟模型；最终确定由质量单元、阻尼单元和摩擦单元三者组成的G

3、MD力学模型，并对不同工况下GMD的动力性能进行了分析。（2）对大尺寸GMD可忽略装置的摩擦效应，依据定点理论对设置有GMD的单自由度结构参数进行优化设计。当单自由度体系阻尼比为0时，推导出最优频率比以及最优阻尼比与质量比的关系；发现随着质量比增加，共振区范围相对扩大，但幅值减小。当阻尼比较小时，忽略摩擦的优化公式可供参考；当阻尼比较大时，依据数值搜索方法得出最优参数值，绘制优化设计曲线供设计参考。（3）对需计及摩擦效应的GMD，基于等效线性化思想和地震动的随机特性，推导出平稳过程下GMD的等效线性化模型。分别以高斯白噪声和Kanai-Taj

4、imi地震动模型作为地震动激励，比较等效线性化方法和SIMULINK数值模拟计算的结果。结果表明，位移和速度标准差吻合度最好，时变位移和速度吻合度也较好，有效验证了等效线性化算法的正确性，分析了阻尼器的减震效果。关键词：旋转惯性质量阻尼器，摩擦效应，参数优化设计，等效线性化方法，SIMULINK模拟IABSTRACTEarthquakeleadsgreatdamagetothebuildingstructure,andaseriousthreattohumanlifeandpropertysafety.Structuralvibrationc

5、ontroltechnologybreaksthroughthetraditionalconceptofseismicdesign,itsetsupadditionalcontroldevicewithstructuresystemsjointlyandreducestheearthquakeexcitation.Thestructuralvibrationresponsewasreducedandtheseismicperformanceofthestructurecanbeimproved.Inthispaper,aninnovative

6、typeofdamper,alsoapassivecontroldevice,gyro-massdamper(GMD),isstudied.Basedonthedampermodeltestresults,asimulationmodelwasestablished.Further,theoptimaldesignofsingledegreeoffreedomstructurewithGMDwascarriedou,andthecomparisonofdampingeffectwasverified.Themainresearchesinth

7、isstudyarepresentedasfollows:(1)Basedonthemechanismoftheballscrew,themechanismofresponseamplificationalongwithmassanddampingratioarestudied.Itisfoundthatthetwoparameterscanbeoptimizedsimultaneouslybyadjustingtheleadlengthoftheballscrew.Basedontheexistinglowfrequencyandlowam

8、plitudetestdata,thefrictioneffectofGMDwasanalyzedandtheSIMULINKmodelwasestablished