电涡流阻尼器参数及减振原理研究

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电涡流调谐质量阻尼器(电涡流TMD)是一种采用电涡流阻尼单元的TMD,具有结构简单、可靠性高、耐久性好和维修方便等优点。但是由于电涡流阻尼效率低,并且对影响电涡流阻尼系数大小的各个参数认知有限,从而导致阻尼系数难以调节,虽然在工程领域陆续有些改进,但是相关参数的影响显著程度尚未有相关研究,在大型工程的结构减振中应用较少。所以,本文对电涡流阻尼单元相关参数进行理论研究、仿真模拟以及试验验证,详细地分析了不同的几何参数、位置参数和运动参数对电涡流阻尼系数的影响,在此基础上运用响应曲面设计方法量化电涡流阻尼单元三个关键参数的影响显著程度,并在理论上探索电涡流TMD的减振原理。本文的主要内容和结论如下:(1)对矩形永磁体外部的磁场分布进行了理论计算和仿真模拟,并将有限元仿真结果与理论计算结果进行对比,验证了有限元方法的有效性,为电涡流阻尼系数的准确计算提供了前提条件。(2)基于矩形永磁体外部磁场分布均匀和导体板无限长且只有在永磁体投影面上有磁场分布三个假设,推导了电涡流阻尼系数的理论计算公式。依据理论计算公式及电涡流阻尼单元的构造,对可能影响电涡流阻尼系数大小的多个参数进行了仿真研究。结果表明:为了提高永磁体的利用率,永磁体磁极应交错布置,最佳磁体间距为0.5倍的磁体宽度。尽量增大与导体板运动方向垂直的永磁体尺寸,充分发挥磁体间的正耦合作用。有放置永磁体铁板和导磁板可显著提高电涡流阻尼系数,但其平面尺寸及厚度的变化影响较小。导体板的平面尺寸存在最优值,并且厚度不应超过11mm。在条件允许的情况下,铜磁间隙越小越好。(3)基于上述电涡流阻尼系数有限元仿真得到的结论,设计了一套单自由度体系的试验模型,通过正交试验研究了不同导体板材料及厚度、铜磁间隙、磁体间距和有无导磁板对电涡流阻尼系数的影响规律。结果表明,有限元仿真值与试验值吻合程度较好。(4)在有限元仿真和试验分析的基础上运用响应曲面设计方法对不同铜板厚度、铜磁间隙和磁体间距进行优化设计,得出影响显著程度排序为:铜磁间隙最大,铜板厚度其次,磁体间距最小。(5)探究单自由度体系在不同阻尼比下位移反应系数随频率比的变化。在不同的频率比下,结构的动力反应分别由刚度、质量和阻尼决定。附加动力吸振器后可通过改变质量比的大小来调整动力吸振器的运行频率范围。加入一定量的阻尼后变为调谐质量阻尼器,运行频率范围增加,并且推出了最优频率比和最优阻尼比的公式。
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