英语原文共 32 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Zheng Lu, Zixin Wang, Ying Zhou, Xilin Lu. Nonlinear dissipative devices in structural vibration control: A review [J]. Journal of Sound and Vibration, 2018, 423(1):18-49.
关于结构振动控制中非线性耗能装置的综述
Zheng Lu1,2, Zixin Wang2, Ying Zhou1,2,*, Xilin Lu1,2
1 State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China
摘要：结构振动是机械，航空航天和土木工程等各个工程领域中普遍存在的现象。需要说明的是，有效抑制结构振动有利于提高机器性能，延长设备使用寿命，提高结构的安全性和舒适性。常规线性耗能装置（线性阻尼器）由于在某些条件下的性能低，广泛应用受到限制，例如在非平稳激励条件下调谐质量阻尼器的去谐效应以及高速下线性阻尼器中产生的过大力。近年来，具有宽带响应和高鲁棒性的非线性耗能装置（非线性阻尼器）在实际工程中越来越多地被使用。现阶段，非线性阻尼器可分为三类，即非线性刚度阻尼器，非线性刚度非线性阻尼阻尼器和非线性阻尼阻尼器。针对每类非线性阻尼器，本文回顾了在实际工程中广泛使用的三种类型的非线性阻尼器：非线性能量吸收器（NES），粒子冲击阻尼器（PID）和非线性粘滞阻尼器（NVD）。文章总结了这三类非线性阻尼器的基本概念，研究现状，工程应用和设计方法。同时也对它们在实际工程应用中的优缺点进行了比较，为实际应用和进一步的研究提供参考。
关键词：结构振动控制，非线性耗能装置，被动控制，非线性能量吸收器，粒子冲击阻尼器，非线性粘滞阻尼器
1.引言
结构振动问题通常出现在机械，航空航天和土木工程等领域，这些问题会对机械操作和结构响应产生不利的影响。例如，在切削刀具的切削过程中可能会产生振动不稳定性，从而导致加工质量较差；固定在飞机机翼上的发动机在运行过程中往往会产生不令人满意的结构噪声，从而导致导航过程中的舒适度较低；在风和地震等动态载荷下，建筑结构易于产生过度的振动响应，从而威胁人们的生命和财产安全。为了有效控制结构振动，一百多年前，John首次提出了振动控制的概念: 在球形轴承上放置一间用木头制成的房屋，从而达到分开该结构与地震引起的振动的目的。随后，Yao将现代控制理论应用于土木工程，这标志着有关土木结构振动控制研究的开始。在现阶段，结构振动控制技术可大致分为四种措施，即被动控制， 主动控制，半主动控制和混合控制，它们都包含各种耗能装置。具体地，无源消能装置由于其具有良好的稳定性，没有外部能量供应需求，简单的设计以及相对较低的成本使其被广泛使用。
根据刚度和阻尼元件的不同特性，能量耗能装置可分为两类：线性能量耗能装置（线性阻尼器）和非线性能量耗能装置（非线性阻尼器）。关于线性耗能装置，调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液体阻尼器是最常见的方案，这两种方案都是将其固有振动频率调整到主体结构的基本频率。基于该原理，振动能量可以通过已调整的阻尼器吸收，然后通过其他阻尼元件消耗。
尽管线性阻尼器由于其简单的理论而被广泛使用，但它们对主体结构和外部激励特性的变化很敏感。一旦它们的固有振动频率偏离了主体结构的基本频率，或者外部激励的频率超过其有效频率带宽，可能会产生模糊效果，从而导致阻尼性能或响应变差。值得一提的是，在土木工程中，主要结构的性能通常存在不确定性，这可能是由于以下几个方面：（1）结构在强烈地震作用下发生刚度退化，从而出现非线性行为；（2）在建筑结构的设计过程中，对结构特性的估计是不准确的；（3）在结构的使用寿命期间，可以进行结构修改。尽管一些学者采用了主动控制技术来解决结构特性的不确定性对振动控制的不利影响。但由于主动控制装置对控制算法的高要求，复杂的配置以及相对较高的成本，使得主动控制装置的广泛应用受到了限制。此外，风和地震都是非平稳随机激励，因此仅在固定随机激励下确定最优的线性阻尼器设计是不合理的（例如白噪声)。
然而，非线性阻尼器已越来越受到各个工程领域的青睐，特别是因为它们的振动衰减频带很宽和高鲁棒性。根据其不同的非线性特性，可以将非线性阻尼器分为三类，即非线性刚度阻尼器，非线性阻尼阻尼器和非线性刚度非线性阻尼阻尼器。非线性刚度阻尼器主要包括非线性能量吸收器（NES）和非线性TMD.非线性阻尼阻尼器主要包括非线性粘滞阻尼器（NVD），磁流变阻尼器，摩擦阻尼器和非线性位移阻尼器。非线性刚度非线性阻尼阻尼器主要包括粒子冲击阻尼器（PID）。通过加入非线性特征，可以显著提高能量耗能装置的阻尼性能。以非线性TMD为例，将其与线性TMD进行比较，前者具有更宽的振动衰减频带，并且可以以更轻的辅助质量有效地减少振动。此外，即使在大振幅的瞬时振动下，也可以获得令人满意的阻尼性能。
本文的目的是回顾非线性耗能装置的最新技术，特别是非线性能量吸收器，粒子冲击阻尼器和非线性粘滞阻尼器，它们分别属于非线性刚度阻尼器，非线性刚度非线性阻尼阻尼器和非线性阻尼阻尼器。应该注意的是，本文回顾的所有三种类型的非线性阻尼器在实际工程中都是典型且广泛使用的。其中，NES和PID在众多工程领域得到了广泛应用，而NVD的应用主要集中在土木工程上。文章总结了三种非线性阻尼器的基本概念，研究现状，工程应用和设计方法，并讨论了它们在实际工程应用中的优缺点。因此，本文可作为实际应用和进一步研究的完整参考资料。需要注意的是，本研究论文重点介绍近几十年来开发的用于结构振动控制的非线性装置， 尤其是其在土木工程中的设计和应用。因此，控制理论相关的研究人员在过去的几十年中所做出的贡献并不是本文的重点。
2.非线性能量吸收器
2.1非线性能量吸收器的基本概念
为了有效解决结构振动问题，Frahm首先提出了动态阻尼器的概念，也称为调谐阻尼器，其通过适当的弹簧刚度将一定的附加质量附加到主体结构来实现。调谐的阻尼器通过重新分配振动能量来改善主体结构的振动性能，即振动能量从主体结构传递到调谐的阻尼器。随后，Den将阻尼元件引入调谐的阻尼器中，从而形成TMD。应该注意的是，TMD是一种线性阻尼器，仅在特定的频率范围内才具有令人满意的阻尼性能。而外部激励和主要结构的频率特性都倾向于随时间变化。在这种情况下，TMD可能会失去减振效果，甚至加剧了主体结构的振动响应。尽管可以通过布置多个TMD将结构振动控制在最优模式下，但这种方式可能会导致配置复杂和附加质量增大。将主动或半主动控制集成到动态减振器中可以扩大振动衰减的频带，但是仍然需要解决诸如高成本、高能耗和低稳定性的问题。相关学者发现，非线性阻尼器可以在很宽的频带范围内有效吸收主体结构的振动能量，并用阻尼元件进一步消耗。在早期，Roberson利用具有线性和立体载荷-挠度特性的弹簧作为刚度元件，从而形成了非线性减振器。通过将振动控制的研究加入到正弦激励的单自由度（SDOF）结构上进行的振动控制研究发现，与调谐振动阻尼器相比，非线性振动阻尼器具有更宽的振动衰减频带。Vakakis将这种具有强非线性刚度的减振器称为非线性能量吸收器，它以一种不可逆的单向方式有效地消耗了振动能量。以带有基本单元非线性吸收器的线性SDOF主要结构为例，如图1所示，集成系统由以下等式描述：
（1）
其中m1和m2分别是一级结构和NES的质量;c1和k1分别是主体结构和支撑之间的阻尼系数和线性刚度系数；c2和k2分别是一级结构和NES之间的阻尼系数和非线性刚度系数;x1,x2和xg分别是主要结构,NES和外部激励的绝对位移。
图1 带有NES的SDOF主要结构的示意图
2.1.1非线性能量吸收器的减振机理
非线性能量吸收器是一种被动控制技术，该技术主要由三个部分组成，它们是较轻的附加质量，较强的非线性刚度和阻尼元件。具体而言，非线性刚度可以提供非线性恢复强度，表明NES具有非恒定的固有频率。因此，可以在系统的1：1共振歧管中产生瞬态共振吸收，从而产生能量泵现象。此外，可以通过阻尼元件消耗被NES吸收的主要结构的振动能量。NES与主体结构之间的能量传递机制是非线性目标能量传递（也称为无源非线性能量泵），其中能量传递快速且不可逆。因此，主结构的振动能量可以被NES有效地吸收，然后传递到NES，最后通过阻尼元件消耗。关于定向能量传递机理的研究，相关学者开展了大量的工作，可以概括为以下两个主要方面：第一是在1：1共振歧管下的共振吸收；第二是非线性固有振动。
2.1.2非线性能量吸收器和线性阻尼器的比较
与传统的线性阻尼器（例如TMD）相比，非线性能量吸收器不仅具有更宽的振动衰减频带，而且对刚度降低不敏感，因此非线性能量吸收器提高了应对相关参数干扰的鲁棒性。此外，NES所需的辅助质量小于线性阻尼器所需的辅助质量，这意味着对于质量相同的这两种类型的阻尼器，NES的减振效果要好于线性阻尼器.但是值得一提的是，只有在较低的阻尼情况下，NES才能比线性减振器表现出更好的减振性能。此外，NES的振动频率对振动幅度非常敏感，而线性减振器的振动频率与振幅无关。特别地，如果振动幅度超过临界值，则NES的振动频率将大大偏离主体结构的固有频率，从而对振动能量传递产生不利影响。因此，为了确保NES发挥令人满意的阻尼性能，应基于可能出现的外部激励的最大振幅来进行NES的设计。
2.2非线性能量吸收器的发展和研究现状
2.2.1非线性能量吸收器的分类
作为一种概念清晰，配置简单，鲁棒性高，振动衰减频带宽的有效耗能装置，近年来，NES已经在众多工程领域受到广泛关注。研究和开发人员正在将NES从基本的机械概念逐步转变为在实际工程中使用的各种形式的阻尼装置。
根据刚度部分的不同非线性特性，非线性能量吸收器可分为三次刚度NES，多项刚度NES，非多项刚度NES，分段线性刚度NES（也称为非光滑刚度NES）和改进的NES，改进的NES具有负的线性和非线性刚度部分。根据阻尼元件的不同特性，非线性能量吸收器可分为线性阻尼NES，几何非线性阻尼NES和分段二次阻尼NES。根据非线性能量吸收器产生恢复强度的不同方式，可以将其归类为偏心旋转NES，振动式NES，单侧振动冲击式NES，基于非对称磁体的NES，弹性体保险杠和轨道NES。根据非线性能量吸收器在主体结构中的不同布置形式，可以将其分为单自由度（SDOF）NES，串联耦合的多自由度（MDOF）NES和并联耦合的多自由度NES。可应用于更广泛的工作条件的多形式非线性能量吸收器的开发为其在实际工程中的广泛应用提供了坚实的基础。上面提到的几种类型的非线性能量吸收器的示意图如图2。
2.2.2非线性能量吸收器的鲁棒性研究
鲁棒性是评估非线性能量吸收器对特性变化和参数变动的不敏感性程度的重要指标，包括以下两个主要方面：抵抗外部因素变化的鲁棒性（外部激励的振动幅度和频率）和针对外部因素鲁棒性的内部因素变化（结构特性）。作为NES的重要属性，许多学者对它们的鲁棒性进行了广泛的研究，目的是找出影响NES鲁棒性的因素并提出合理的措施来改善它。
由于非线性系统的振动幅度取决于外部激励的振动幅度，因此Parseh等人认为外部激励的振动幅度的变化是影响NES鲁棒性的关键因素。Taghipour等发现，与SDOF NES相比，两自由度NES可以显着提高其鲁棒性，以应对外部激励幅度和结构设计参数的变化。同样，Li等采用了一种方法，当将NES的自由度应用于具有结构非线性的刚性机翼的气动弹性不稳定性抑制时，可以提高NES的鲁棒性。实际上，许多学者发现MDOF NES的稳定性优于SDOF NES。原因可能是MDOF NES可以同时从主体结构的多种模式吸收振动能量，从而拓宽了振动衰减的频带和能量输入范围。
2.3非线性能量吸收器的工程应用
作为一种典型且实用的非线性耗能装置，非线性能量吸收器已应用于土木，航空，机械和海洋工程等各个工程领域，并展示出令人满意
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238236]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
