反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究

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振动是常见的物理现象,剧烈振动会造成建筑、机械等结构的部分或整体的损坏。振动已成为影响机械结构性能、可靠性以及使用寿命的重要因素。为保证建筑结构、机械设备等的正常运行,振动控制已成为设计工作中重要的考虑因素。在机械结构中安装耗能装置可以实现振动的有效控制。在常用耗能装置中,摩擦阻尼器是常用耗能结构,具有耗能减振效果好、价格低廉、取材方便,应用广泛等优点。但该技术发展中面临一些问题:一是摩擦阻尼器的阻尼力单一、调节范围小;二是阻尼器多为被动控制,阻尼力不能有效利用振源信号进行控制而发挥更好的控制振动效果。为使摩擦阻尼器能够利用振源信号调整阻尼力,使其获得更理想的耗能减振效果,本文将库伦摩擦模型、半主动控制等理论结合,设计一种反馈控制摩擦阻尼器,并对其耗能机理进行研究。课题研究的反馈控制摩擦阻尼器利用被控结构振动位移信号进行阻尼力反馈控制,使其耗能能力随振动剧烈程度进行自动调整,得到最好的减振效果。本文首先进行了反馈控制摩擦阻尼器的结构设计;然后根据阻尼器增力作用原理和库伦摩擦理论建立了阻尼器数学模型,采用数值计算、有限元仿真的方法,研究了该阻尼器的增力性能和耗能机理;最后,分别对阻尼器进行静态、动态耗能性能试验研究。第一、设计一种结构合理,耗能性能良好的反馈控制摩擦阻尼器。该阻尼器利用被控结构的位移反馈信号进行内部压力调控,实现输出阻尼力随被控结构振动剧烈程度而调整。对新型阻尼器的关键部件进行强度、刚度分析,提高结构安全性和可靠性。第二、根据反馈控制摩擦阻尼器作动原理,结合油液-增压气室和库伦模型建立数学模型。使用Matlab数值分析软件进行数值仿真分析,研究作动杆直径、增压气室初始体积、初始压力等参数对阻尼器耗能性能的影响。在此基础上,得到阻尼器理论力-位移滞回曲线。第三、对影响反馈控制摩擦阻尼器性能的油液-增压气室、作动杆结构及尺寸进行有限元流固耦合仿真分析,得到内部流体压力变化对输出阻尼力的影响,得到阻尼器仿真力-位移滞回曲线。除此之外,分析内部流体压力变化对作动杆输出抗力的影响。该抗力对输出阻尼力具有重要影响。对阻尼器加载不同频率和振幅的振动信号,研究被控结构振动变化对阻尼器输出阻尼力的影响。第四、依据上述理论和仿真分析结果,设计、制造阻尼器的样机进行阻尼器耗能性能静态、动态试验。将试验结果与理论、仿真分析结果进行对比,验证阻尼器耗能机理的正确性。依照实验结果,修正理论和仿真分析模型,提高分析的准确。
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