工程结构线性滞回阻尼减震控制研究

针对常规位移型减震装置的减震效果通常会随着变形幅值的变化而发生改变的缺点，本项目研究了一种具有线性滞回阻尼特性的减震装置，其阻尼力值与变形值线性相关，其阻尼力方向与变形速度相同，其减震效果不受变形幅值的影响，其等效刚度为0，不会对结构振动频率产生显著影响，且其构造简单，造价较低，适于推广应用。本项目主要研究内容和取得的成果如下：1）基于变摩擦机理研发出具有线性滞回阻尼特征的阻尼器。理论分析、数值模拟和模型试验都证明了本项目构造方案的可行性和有效性；2）对阻尼器在循环加载条件下的温度变化情况进行了试验研究，结果表明加载频率对阻尼器核心部位的温度变化有显著的影响，因而建议位移型阻尼器的检测参数中应该考虑加载频率的影响；3）基于用户材料子程序接口开发了ANSYS和ABAQUS软件平台下的线性滞回阻尼单元，用于对安装线性滞回阻尼器的减震结构进行动力响应分析；4）采用复阻尼模型模拟线性滞回阻尼器的力学行为，对比分析了复阻尼属性和粘滞阻尼属性对结构动力响应影响的异同；5）基于典型工程结构模型，通过大量非线性时程分析，对比分析了包括线性滞回阻尼器在内的多种减震装置的减震效果，结果表明线性滞回阻尼器的减震效果优于具有固定屈服力的位移型减震装置；6）对线性滞回阻尼在调频质量阻尼减振控制中的应用进行了研究，结果表明线性滞回阻尼可以取得与粘滞阻尼相近的减振效果，考虑线性滞回阻尼器构造更为简单，其在调频质量阻尼减振技术中有较好的应用前景。 2100433B

常规位移相关型减震装置的减震效果通常会随着变形幅值的变化而发生改变，本项目将研究一种具有线性滞回阻尼特性的减震装置，其阻尼力值与变形值线性相关，其阻尼力方向与变形速度相同，其减震效果不受变形幅值的影响，其等效刚度为0，不会对结构振动频率产生显著影响，且其造价较低，适于推广应用。由于该减震装置具有线性特征，安装此装置的减震结构可以采用线性叠加原理进行求解，本项目将研究线性滞回阻尼减震结构基于等效粘滞阻尼模型的高精度分析方法。由于等效粘滞阻尼与振动频率相关，本质上有别于线性滞回阻尼，因而本项目将定义一种新的阻尼参数：滞回刚度比（线性滞回阻尼属性中的加载刚度与结构刚度之比），并研究线性滞回阻尼减震结构基于滞回刚度比的振型分解反应谱方法。基于典型工程结构的减震方案分析，研究线性滞回阻尼减震装置的适用范围及其优化布置算法。本申请项目的研究工作将为线性滞回阻尼减震装置的推广应用提供理论基础和技术储备。

研究方向

建筑、桥梁抗震减隔震装置研发；建筑、桥梁消能减震设计

本项目主要研究大型复杂工程结构非线性随机振动的非线性随机最优控制。首先，基于拟哈密顿系统随机平均法与随机动态规划原理，分别以响应最小、稳定度最大或可靠度最大为目标，发展一套同时计及实际应用中不可避免的状态部分观测、控制力时滞与有界、受控系统模型与参数不确定等因素的非线性随机最优控制理论方法；其次，基于拟哈密顿系统随机平均法与随机极大值原理，发展一套类似的非线性随机最优控制理论方法；然后，研究最优控制系统的动力学，包括响应、稳定性、分岔、混沌、可靠性等，通过与未控系统动力学的比较，建立控制性能指标与受控系统动力学变化之间的关系，以便更有目的更有效地控制非线性随机动力学系统；最后，将上述理论方法应用于典型工程结构如高速列车受电弓等的随机振动控制。研究以响应概率密度为目标的控制与随机混沌的控制以及以智能材料与结构为执行器的非线性随机最优主动与半主动控制。

经过四年的研究，课题组完成了既定研究任务和研究目标。重要进展概括如下：(1)建立了一套基于随机平均法与动态规划，同时计及系统状态部分可观测、控制力时滞与有界、系统模型与参数不确定的非线性随机最优控制理论方法；(2)提出与发展基于拟哈密顿系统的随机平均法与随机极大值原理的非线性随机最优控制理论方法；(3)研究了最优控制系统的非线性随机动力学，包括随机响应、稳定性、可靠性等；(4)搭建了非线性随机最优控制试验平台，完成三层土木结构模型的随机最优控制实验，用实验初步验证了理论方法的有效性和精确性。(5)提出与发展以响应概率密度为目标的非线性随机最优控制理论方法；(6)提出与发展以智能材料为执行机构的非线性随机最优半主动控制理论方法；（7）提出与发展了具有分数阶导数阻尼的拟哈密顿系统的随机最优分数阶控制理论方法。 除了圆满完成既定目标之外，还研究了一些原计划未列入的内容，包括提出与发展了泊松与高斯白噪声共同激励下拟哈密顿系统的随机平均法，完善了基于哈密顿框架的随机动力学理论；提出研究动力学系统的复胞映射方法；发展有色噪声激励下非线性系统瞬态概率密度的方法；研究了周期矩形信号和不相关噪声激励下偏置单稳系统的随机共振；将随机动力学与控制理论应用到化学、生物和工程等领域，得到了较好的效果，等等。 在国家自然科学基金的资助下，课题组成功举办国际理论与应用力学联合会关于非线性随机动力学与控制的研讨会与第三届国际动力学、振动与控制会议两个国际会议。发表学术论文96篇，其中SCI、EI收录论文80余篇，专著章节两章。培养毕业硕士生10名，毕业博士生20名。 2100433B