基於諧波平衡法的斜拉索-非線性減振系統振動特性研究

《基於諧波平衡法的斜拉索-非線性減振系統振動特性研究》是依託同濟大學，由陳林擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於諧波平衡法的斜拉索-非線性減振系統振動特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳林
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

斜拉索是斜拉橋的關鍵受力構件，其自身阻尼很小因而易在環境激勵下發生振動，危及斜拉橋的安全。在索近錨固點安裝減振器是最有效的減振方法。為了研究實際索減振器的非線性行為並利用其在拉索減振中的優勢，本項目擬研究斜拉索-非線性減振系統的動力特性及參數最佳化方法，將關注該系統的重要動力特性--穩態回響。首先，擬引入近來在機械等領域快速發展、能高效求解強非線性系統的諧波平衡法，研究該方法在分析索減振系統這一多自由度結構中的適用性；進而，研究基於系統穩態動力特性評價其減振性能的合理方法；最終，建立基於諧波平衡法的拉索-非線性減振系統的動力分析及參數最佳化框架。擬利用該方法，具體分析非線性粘滯阻尼器、摩擦阻尼器及限位裝置安裝於索近錨固點時對索前幾階振動的最優控制效果及相應裝置參數，探討非線性減振機理。本課題的成果將直接套用於拉索減振裝置的最佳化設計，為索減振方案的開發提供理論基礎，具有明確的工程和理論價值。

結題摘要

工程實際中的索常安裝粘滯阻尼器和摩擦阻尼器進行減振，這兩種阻尼器的力學特性均表現出明顯的非線性。為了研究斜拉索-非線性系統的振動特性、明確其減振耗能機理，進而最佳化設計阻尼器的參數，本項目提出了基於索-非線性阻尼器強迫振動回響評價其阻尼效果的方法。首先，項目對文獻中基於模態展開和擬靜力修正的索-阻尼器數值模型進行改進，使其採用正交的基函式，提高近共振分析精度；此外，拓展方法使其能考慮單根索附加多個阻尼器的情況。然後，基於索的數值模型，建立了索周期性回響分析的諧波平衡方法，並結合數值延拓方法使其能快速求解索-阻尼器系統在其共振頻率附近的頻響函式；最後，基於頻響函式提出了非線性阻尼器對索附加阻尼的等效估計方法。建立的索-阻尼器分析和阻尼評價方法，首先套用於線性阻尼器的情況，得到的阻尼曲線等結果與復模態分析結果吻合，驗證了建立的方法的有效性。進而，採用建立的方法詳細分析了非線性粘滯阻尼器和摩擦型阻尼器對張緊索(忽略垂度)的阻尼效果，研究了阻尼器的非線性參數、阻尼器的安裝位置和索的振動模態對非線性阻尼器阻尼效果的影響，進而分析了非線性阻尼器的減振機理。結果表明，最優情況下非線性阻尼器的阻尼效果優於最優線性阻尼器的阻尼效果，因為非線性阻尼器能引起索的高階振動，從而索振動能量向高階轉移並快速耗散。項目進而分析了垂度效應對非線性阻尼器阻尼效果的影響，發現當垂度很小時，最優情況下非線性阻尼器優於線性阻尼器；當垂度參數增大後，最優線性阻尼器優於最優非線性阻尼器；垂度大於一定值以後，最優情況下，兩種阻尼器阻尼效果相當。項目還分析了垂索在其兩端對稱安裝兩個非線性粘滯阻尼器後，系統最優阻尼和最優阻尼器參數隨垂度參數變化的變化。最後，項目以蘇通大橋一根長索為目標，設計了黏性剪下阻尼器並開展了單體試驗，單體試驗結果表明其力學特性具有非線性；然後將阻尼器安裝在目標索上進行了單點周期性荷載強迫振動試驗，對比試驗測得的索穩態回響和採用項目建立的模型進行模擬分析的結果，初步驗證了建立的模型的準確性；對比基於強迫振動評價得到的阻尼和基於自由衰減回響得到的阻尼，初步驗證了項目提出的非線性阻尼器阻尼評價方法的適用性。