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颗粒阻尼器性能研究

作　者: 黄韵文
导　师: 闫维明
学　校: 北京工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 建筑结构颗粒阻尼器离散单元法能量比集群效应
分类号: TU352.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

颗粒阻尼的概念早在20世纪六十年代就已提出,但之后的相关研究却长期处于停滞状态,无论在理论还是实验研究或数值模拟等方面都不完善。时至上世纪九十年代,运用颗粒进行耗能的思想开始在航空与机械等领域得到实现,使诸多机械设备、载具等的振动水平得到了大幅度降低。近几年,鉴于颗粒阻尼的优良减振性能,土木工程领域的学者将其引入到建筑结构领域。本文在总结近年来国内外关于颗粒阻尼器的研究和应用现状的基础上,对其耗能机理和性能进行了理论分析、数值模拟和试验研究,主要工作包括以下几个方面:1.总结和分析了国内外现有阻尼器在性能上的优缺点,并根据机械和航空等领域关于颗粒阻尼器已有的研究成果,阐明了颗粒阻尼器运用于建筑结构领域可能具有的优越性及有待解决的问题;2.针对颗粒阻尼器理论研究上的不足,总结和推导了颗粒阻尼器的运动方程和本文试验研究与数值模拟中所将采用的耗能公式和效能指标;3.运用ANSYS LS\DYNA、PFC3D软件模拟了颗粒阻尼器的性能,分析了这两种软件研究颗粒阻尼器的适用性,并指出了其不足之处。4.基于MATLAB环境编制了相关程序,研究了颗粒阻尼器对于单自由度结构强迫振动的减振性能,并提出以减震后耗能与减震前总能量之比(即能量耗散系数)和减震前后位移峰值比来评价颗粒阻尼器的减振能力。在此基础上,分析了颗粒密度、粒径、摩擦系数、空腔长度、结构自振周期、地震动幅值和频谱特性等参数对颗粒阻尼器减振性能的影响规律;5.进行了单自由度钢框架的自由振动试验,研究了初始位移、质量比、填充率、空腔长度、摩擦系数、粒径变化、自振频率和布置方式等对颗粒阻尼器性能的影响规律,试验结果与前述数值模拟结果在趋势上较为吻合。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-23
  1.1 前言  9
  1.2 建筑结构减隔震技术  9-16
    1.2.1 调谐质量吸振器TMD  10-13
    1.2.2 多重调谐质量阻尼器MTMD  13-15
    1.2.3 传统消能减振构件优缺点  15-16
  1.3 颗粒阻尼器学术背景及理论与实际意义  16-17
    1.3.1 颗粒阻尼器选题背景  16-17
    1.3.2 研究意义及可行性  17
  1.4 颗粒阻尼器国内外研究现状  17-21
    1.4.1 颗粒阻尼器分类及相应研究动态  17-20
    1.4.2 颗粒阻尼器实验与理论研究  20-21
  1.5 研究中存在的问题  21-22
  1.6 本文研究内容  22-23
第2章颗粒阻尼器接触与运动理论分析  23-29
  2.1 颗粒阻尼理论方法  23-25
    2.1.1 离散单元法  23
    2.1.2 恢复力曲面法  23-24
    2.1.3 分子动力学方法  24-25
  2.2 颗粒运动方程  25-28
  2.3 本章小结  28-29
第3章基于不同商业软件的颗粒阻尼减震效果模拟  29-37
  3.1 运用ANSYS LS\DYNA 模拟颗粒阻尼器作用  29-32
    3.1.1 ANSYS LS\DYNA 软件适用性  29
    3.1.2 ANSYS LS\DYNA 软件模拟颗粒阻尼器分析实例  29-32
  3.2 运用PFC 模拟颗粒阻尼器作用  32-36
    3.2.1 PFC 软件适用性  32-33
    3.2.2 运用PFC3D 模拟颗粒阻尼器分析实例  33-36
  3.3 本章小结  36-37
第4章基于Matlab 的颗粒阻尼减震效果模拟  37-57
  4.1 Matlab 程序模拟概述  37
  4.2 颗粒阻尼器MATLAB 程序模拟实例编程思路  37-41
  4.3 影响颗粒阻尼器性能因素的数值模拟  41-55
    4.3.1 质量比变化对颗粒阻尼器性能的影响  41-46
    4.3.2 空腔长度变化对颗粒阻尼耗能能力的影响  46-48
    4.3.3 摩擦系数变化对颗粒阻尼耗能能力的影响  48-49
    4.3.4 自振周期变化对颗粒阻尼耗能能力的影响  49-50
    4.3.5 颗粒粒径变化对颗粒阻尼耗能能力的影响  50-52
    4.3.6 不同波形及频谱特性变化对颗粒阻尼耗能能力的影响  52-55
  4.4 本章小结  55-57
第5章单自由度钢框架结构颗粒阻尼器性能试验  57-85
  5.1 单自由度钢框架颗粒阻尼器性能试验概况  57-58
  5.2 实验目标与结果度量方式  58-59
  5.3 实验结果分析  59-83
    5.3.1 颗粒阻尼性能优越性  59-60
    5.3.2 初位移对阻尼比的影响  60-63
    5.3.3 颗粒质量比对阻尼比的影响  63-67
    5.3.4 自振频率变化对阻尼比的影响  67-72
    5.3.5 填充率对阻尼比的影响  72-75
    5.3.6 颗粒布置形式对阻尼比的影响  75-78
    5.3.7 空腔长度变化对阻尼比的影响  78-81
    5.3.8 摩擦系数对阻尼比的影响  81-83
  5.4 本章小结  83-85
结论与展望  85-89
  结论  85-86
  展望  86-89
参考文献  89-93
攻读硕士学位期间发表的学术论文  93-94
致谢  94

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