CN104131629A - 结构混合主动调谐质量阻尼器的风致振动控制优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，包括如下步骤：1）建立结构-HATMD系统模型；2）建立结构-HATMD系统和动力学方程；3）运用基因遗传算法对HATMD进行优化计算；4）通过比较，选取最优组合参数设计一种新型混合主动调谐质量阻尼器。本发明的创新之处在于设计一种适用于所有结构的新型混合主动调谐质量阻尼器，优越之处在于减小了风振对结构的损坏。

Description

结构混合主动调谐质量阻尼器的风致振动控制优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种结构混合主动调谐质量阻尼器（Hybrid Active Tuned Mass Damper，HATMD）的风振控制优化设计方法。 
背景技术
土木工程领域中结构的抗风和抗震研究一直是不变的主题，振动控制的研究和应用被认为是这门研究的重大突破。与传统的结构设计方法相比，振动控制从仅仅依靠改变结构自身性能来抵抗环境荷载的方法，逐渐发展为由结构-抗风抗震振动控制系统主动地控制结构的动力反应，这也使得适用于土木工程结构振动控制的装置有了相当的发展。但是，控制装置仍然存在着很多亟待解决的问题，例如调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)，存在启动滞后等问题，一旦失调，其控制有效性将明显下降。主动调谐质量阻尼器(Active Tuned Mass Damper，ATMD)在结构与TMD之间引入一个主动控制力，克服了TMD的启动滞后问题，而且提高了TMD的有效性和鲁棒性，因此在实际工程中安装的大都是这种ATMD系统。混合调谐质量阻尼器(HATMD)在单个ATMD的基础上又串联增加一个小质量块，并施以一定的驱动力，考察其控制结构风振响应的效果。 
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法。 
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案： 
一种结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，包括如下步骤：
1）由结构自身的质量 、阻尼和刚度，建立结构混合主动调谐质量阻尼器（即结构-HATMD）系统的力学模型；
2）根据结构动力学原理，对结构及第一个主动调谐质量阻尼器（ATMD1）、第二个主动调谐质量阻尼器（ATMD2）进行受力分析，建立结构-HATMD系统方程；
3）对比主被动调谐质量阻尼器（APTMD）和单个主动调谐质量阻尼器（ATMD），对HATMD进行风致振动控制的优化设计；
4）根据比较结果，考虑控制的有效性，选取最优组合参数，参照原结构的参数设计新型HATMD。
所述步骤1）中建立结构-HATMD系统的力学模型为：将结构作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼和刚度，将ATMD1装置在结构上，以一主动力控制，再将ATMD2装置在ATMD1上，以主动力控制；以此构成结构-HATMD系统。 
所述步骤2）中的建立结构-HATMD系统方程为：分别对结构、ATMD1、ATMD2进行受力分析，根据结构动力学理论，列出其系统方程为： 
式中：为作用在结构上的风荷载；为结构相对于基底的位移；为ATMD1相对于结构的位移；为ATMD2相对于ATMD1的位移；、和分别为结构的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD1的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD2的质量、阻尼和刚度；为作用于结构和ATMD1之间的主动控制力；为作用于ATMD1和ATMD2之间的主动控制力。
所述步骤3）中对HATMD进行风致振动控制的优化设计为：结构-HATMD系统的位移动力放大系数为： 
其中：
式中：为主结构的频率比； 为ATMD1的频率比；为ATMD2的频率比；为主结构的阻尼比；为ATMD1的阻尼比；为ATMD2的阻尼比；为ATMD1与结构的质量比；为ATMD2与ATMD1的质量比；为ATMD1的标准化加速度反馈增益系数；为ATMD2的标准化加速度反馈增益系数；为与的比例因子；
优化过程中，根据实际工程，设定、、的值，选定、、的范围，对、、、进行参数优化。
所述步骤4）中定义优化评价准则为：设置HATMD时结构的最大动力放大系数的最小值的最小化，即R= Min.Min.Max.DDMFHs；R值越小，则装置风振控制的有效性就越佳；利用遗传基因算法进行参数优化，根据R值选取HATMD中、、、的最优参数，从而设计出新型HATMD风振控制装置。 
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点： 
本发明方法设计一种适用于所有结构的新型混合主动调谐质量阻尼器，优越之处在于减小了风振对结构的损坏。
附图说明
图1为HATMD设计分析过程图。 
图2为结构-HATMD系统的力学模型。 
图3为f T 随α t 的变化关系曲线。 
图4为f t 随α t 的变化关系曲线。 
图5为ξ t 随α t 的变化关系曲线。 
图6为DDMF Hs随α t 的变化关系曲线。 
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。 
如图1所示，一种结构混合主动调谐质量阻尼器的风致振动控制优化设计方法，包括如下步骤： 
1）由结构自身的质量、阻尼和刚度，建立结构混合主动调谐质量阻尼器系统，即结构-HATMD系统的力学模型； 
2）根据结构动力学原理，对结构，第一个主动调谐质量阻尼器，即ATMD1，以及第二个主动调谐质量阻尼器，即ATMD2，进行受力分析，建立结构-HATMD系统方程；
3）对比主被动调谐质量阻尼器，即APTMD和单个主动调谐质量阻尼器，即ATMD，对HATMD进行风致振动控制的优化设计；
4）根据比较结果，考虑控制的有效性，选取最优组合参数，参照原结构的参数设计新型HATMD。
如图2所示，所述步骤1）中建立结构-HATMD系统的力学模型为：将结构作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼和刚度，将ATMD1装置在结构上，以一主动力控制，再将ATMD2装置在ATMD1上，以主动力控制；以此构成结构-HATMD系统。 
所述步骤2）中的建立结构-HATMD系统方程为：分别对结构、ATMD1、ATMD2进行受力分析，根据结构动力学理论，列出其系统方程为： 
式中：为作用在结构上的风荷载；为结构相对于基底的位移；为ATMD1相对于结构的位移；为ATMD2相对于ATMD1的位移；、和分别为结构的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD1的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD2的质量、阻尼和刚度；为作用于结构和ATMD1之间的主动控制力；为作用于ATMD1和ATMD2之间的主动控制力。
所述步骤3）中对HATMD进行风致振动控制的优化设计为：结构-HATMD系统的位移动力放大系数为： 
其中：
式中：为主结构的频率比； 为ATMD1的频率比；为ATMD2的频率比；为主结构的阻尼比；为ATMD1的阻尼比；为ATMD2的阻尼比；为ATMD1与结构的质量比；为ATMD2与ATMD1的质量比；为ATMD1的标准化加速度反馈增益系数；为ATMD2的标准化加速度反馈增益系数；为与的比例因子；
优化过程中，根据实际工程，设定、、的值，选定、、的范围，对、、、进行参数优化。
运用基因遗传算法进行优化计算，在结构中装备混合主被动调谐质量阻尼器时得出在结构中装备混合主被动调谐质量阻尼器时，大质量块和原结构频率比f T 、小质量块和原结构频率比f t 、小质量块的阻尼比ξ t 、位移动力放大系数DDMF Hs随α t 的变化关系曲线，如图3至图6所示。 
由图6可以看出，混合主动调谐质量阻尼器（HATMD）的风振控制的有效性比混合主被动调谐质量阻尼器（APTMD）和单个主动调谐质量阻尼器（ATMD）好，且随着α T 绝对值的增大和α t 的增大，有效性越来越好。 
由图3至图6综合看出，ξ t 均很小，小于0.1；当α t =4、8时，HATMD的f t 较小，小于0.35，不适于实际工程运用；而当α t ≥20时，随着驱动力α t 的增大，有效性提高不明显，故实际运用中可考虑8<α t <20的情况。 
比较图3至图6，考虑有效性的因素，选取，η=0.5，αT=-4，α t =12，f T =0.883，f t =0.4095，ξ T =0，ξ t =0.0125，DDMF Hs=1.8392；，η=0.5，α T =-4，α t =16，f T =0.8705，f t =0.4275，ξ T =0，ξ t =0.021，DDMF Hs=1.6786这两种数据设计HATMD装置，该HATMD装置的有效性较APTMD和ATMD更好，且参数均在合理范围内，能够更好的控制减小风致振动对结构的损坏。 

Claims (5)

1.一种结构混合主动调谐质量阻尼器的风致振动控制优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）由结构自身的质量                                                、阻尼和刚度，建立结构混合主动调谐质量阻尼器系统，即结构-HATMD系统的力学模型；
2）根据结构动力学原理，对结构，第一个主动调谐质量阻尼器，即ATMD1，以及第二个主动调谐质量阻尼器，即ATMD2，进行受力分析，建立结构-HATMD系统方程；
3）对比主被动调谐质量阻尼器，即APTMD和单个主动调谐质量阻尼器，即ATMD，对HATMD进行风致振动控制的优化设计；
4）根据比较结果，考虑控制的有效性，选取最优组合参数，参照原结构的参数设计新型HATMD。
2.根据权利要求1所述的结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，其特征在于，所述步骤1）中建立结构-HATMD系统的力学模型为：将结构作为一个单自由度质点，根据其材料特点确定其阻尼和刚度，将ATMD1装置在结构上，以一主动力控制，再将ATMD2装置在ATMD1上，以主动力控制；以此构成结构-HATMD系统。
3.根据权利要求1所述的结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，其特征在于，所述步骤2）中的建立结构-HATMD系统方程为：分别对结构、ATMD1、ATMD2进行受力分析，根据结构动力学理论，列出其系统方程为：
式中：为作用在结构上的风荷载；为结构相对于基底的位移；为ATMD1相对于结构的位移；为ATMD2相对于ATMD1的位移；、和分别为结构的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD1的质量、阻尼和刚度；、和分别为ATMD2的质量、阻尼和刚度；为作用于结构和ATMD1之间的主动控制力；为作用于ATMD1和ATMD2之间的主动控制力。
4.根据权利要求1所述的结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，其特征在于，所述步骤3）中对HATMD进行风致振动控制的优化设计为：结构-HATMD系统的位移动力放大系数为：
其中：
式中：为主结构的频率比； 为ATMD1的频率比；为ATMD2的频率比；为主结构的阻尼比；为ATMD1的阻尼比；为ATMD2的阻尼比；为ATMD1与结构的质量比；为ATMD2与ATMD1的质量比；为ATMD1的标准化加速度反馈增益系数；为ATMD2的标准化加速度反馈增益系数；为与的比例因子；
优化过程中，根据实际工程，设定、、的值，选定、、的范围，对、、、进行参数优化。
5.根据权利要求1所述的结构混合主动调谐质量阻尼器的风振控制优化设计方法，其特征在于，所述步骤4）中定义优化评价准则为：设置HATMD时结构的最大动力放大系数的最小值的最小化，即R= Min.Min.Max.DDMFHs；R值越小，则装置风振控制的有效性就越佳；利用遗传基因算法进行参数优化，根据R值选取HATMD中、、、的最优参数，从而设计出新型HATMD风振控制装置。
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