调谐液体阻尼器设计方法、装置、介质和设备

技术领域

本发明属于超高层建筑风致振动控制领域，特别涉及一种调谐液体阻尼器设计方法、装置、介质和设备。

背景技术

调谐液体阻尼器(TLD)是一种常用在超高层建筑风振控制中的被动控制装置，因构造相对简单、造价低，且可兼做消防水箱，而受到越来越多的关注。对于结构-TLD耦合系统而言，质量比、液体晃荡频率、TLD阻尼比是与控制效果息息相关的三个重要设计参数；其中，质量比为TLD中液体有效质量与结构受控模态质量的比值，取值范围通常为1％～5％；液体晃荡频率与水箱长度和液体深度有关，该频率与结构受控模态频率相近时控制效果最佳；而TLD阻尼主要来自于自由液面破碎、液体粘度以及液体与水箱壁面的摩擦，但仅依靠上述几种耗能方式，TLD所能够提供的阻尼比远小于最优值，难以达到有效控制结构风致振动的效果，因此常采取在TLD内设置耗能装置如阻尼网、格栅等措施增大液体晃荡耗能。

结构-TLD耦合系统中TLD的设计通常以受控结构响应为控制目标，先估计结构所需有效阻尼，有效阻尼是质量比的函数，进而确定满足条件的质量比；然后由确定的质量比计算得到最优频率比(液体晃荡频率与结构受控模态频率的比值)与最优TLD阻尼比；最后根据最优频率比计算满足TLD所在楼面空间大小的水箱长度和液深，根据最优TLD阻尼比计算TLD内置耗能装置设计参数。

该设计方法通过等效线性化的方式将TLD中液体晃荡问题化简，从而能够快速获得结构-TLD耦合系统的重要设计参数进而确定TLD外形尺寸、液深与内置耗能装置设计参数。研究表明在风荷载作用下TLD响应呈明显非线性，且带有内置耗能装置的TLD阻尼比会随着TLD响应的变化而改变，因此采用线性化的设计方法不能准确评估TLD控制效果。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种调谐液体阻尼器设计方法，该方法能够考虑TLD响应非线性特性，使得TLD的设计更加细致和精确，基于此方法设计的TLD能够准确的评估出其控制效果。

本发明的第二目的在于提供一种调谐液体阻尼器设计装置。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种调谐液体阻尼器设计方法，包括步骤：

步骤1、获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

步骤2、构建结构-TLD耦合系统运动方程，对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线；

步骤3、基于TLD当前设计参数，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析，对测得的TLD响应进行解耦分离，再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

步骤4、基于步骤2和步骤3拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

步骤5、判断步骤3中得到液体晃荡频率f

若否，则针对TLD设计参数进行修改，然后返回步骤3；

若是，则将最终获取到的TLD设计参数作为TLD的最终设计结果。

优选的，步骤2中构建的结构-TLD耦合系统运动方程为：

式中：

M

m

假设TLD与结构第n个自由度耦合，则X、x

H为TLD位置向量；F为风荷载向量；

优选的，步骤3中，基于TLD当前设计参数，包括外形尺寸、液深以及内置耗能装置设计参数，构建TLD缩尺模型，针对上述构建的TLD缩尺模型，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验，在得到试验结果后换算到TLD缩尺模型对应的原型，从而得到液体晃荡频率f

或者步骤3中，基于TLD当前设计参数，包括外形尺寸、液深以及内置耗能装置设计参数，采用有限元软件建立TLD数值模型，根据实际试验条件在软件中设置相应初始条件、边界条件与外部激励，再通过求解流体运动方程获得流体晃动响应，从而实现数值模拟分析。

优选的，步骤2中，根据结构-TLD耦合系统运动方程进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，得到若干TLD响应对应的TLD阻尼比数据点，对这些数据点进行拟合得到TLD响应与TLD阻尼比关系曲线：

式中，

步骤3中，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析后，对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到若干TLD响应对应的TLD阻尼比数据点，对这些数据点进行拟合可得TLD响应与TLD阻尼比关系曲线：

式中，

步骤4中，基于步骤2中拟合得到的TLD响应与TLD阻尼比关系曲线

优选的，在步骤5中：将步骤5中得到液体晃荡频率f

步骤5中，将步骤4中得到阻尼比值

更进一步的，在步骤5中：

当f

当f

当

当

优选的，TLD内置耗能装置采用纤维增强塑料制作。

本发明的第二目的通过以下技术方案实现：一种调谐液体阻尼器设计装置，包括：

TLD初步设计模块，用于获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

构建模块，用于结构-TLD耦合系统运动方程；

敏感分析和拟合模块，用于对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线；

模态参数识别和拟合模块，在基于TLD当前设计，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析的情况下，用于对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

阻尼比计算模块，用于基于敏感分析和拟合模块与模态参数识别和拟合模块拟合得到TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

判定模块，用于判断模态参数识别和拟合模块得到液体晃荡频率f

修改模块，用于在判定模块判定出液体晃荡频率f

本发明的第三目的通过以下技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例所述的调谐液体阻尼器设计方法。

本发明的第四目的通过以下技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的调谐液体阻尼器设计方法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明调谐液体阻尼器设计方法，在TLD初步设计基础上对结构-TLD耦合系统设计参数进行校验，为TLD设计方案的调整提供数据支撑，使得TLD的设计更加细致、精确。

(2)本发明调谐液体阻尼器设计方法，直接通过TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析的方式获取液体晃荡频率与TLD阻尼比随TLD响应变化曲线，能够反映TLD真实晃动特性，考虑了TLD响应的非线性特征，基于此方法设计的TLD能够准确的评估出其控制效果。

(3)本发明调谐液体阻尼器设计方法，能够很好地体现了风荷载、结构响应、TLD响应以及TLD阻尼比间的相互联系，考虑了TLD阻尼比随TLD响应变化的特性，获得更准确的TLD阻尼比。

(4)本发明调谐液体阻尼器设计方法，TLD内置耗能装置采用纤维增强塑料制作，克服现有技术中TLD内置耗能装置采用金属材料(如钢材)制作，由于金属材料易被腐蚀且装置连接处存在动荷载作用下的疲劳问题，纤维增强塑料作为TLD内置耗能装置的制作材料，其具有轻质高强、防锈、耐腐蚀、工艺性优良，且总材料成本与采用钢材制作成本相差不多的优点，能够有效延长所设计TLD的使用寿命。

附图说明

图1是本发明调谐液体阻尼器设计方法的流程图。

图2是本发明中分别采用敏感性分析与减振性能分析得到的TLD响应对TLD阻尼比的影响示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种调谐液体阻尼器设计方法，如图1中所示，具体步骤包括：

步骤1、获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

在本实施例中，TLD内置耗能装置采用纤维增强塑料制作，纤维增强塑料(FRP)是以玻璃纤维、碳纤维或硼纤维等作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。FRP轻质高强、防锈、耐腐蚀、工艺性优良，且总材料成本与采用钢材制作成本相差不多，是一种适合应用于TLD内置耗能装置制作的材料。

步骤2、构建结构-TLD耦合系统运动方程，对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线。

本实施例中，构建的结构-TLD耦合系统运动方程为：

式中：

M

m

假设TLD与结构第n个自由度耦合，则X、x

H为TLD位置向量；F为风荷载向量；

在本步骤中，根据结构-TLD耦合系统运动方程进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，得到若干TLD响应对应的TLD阻尼比数据点，对这些数据点进行拟合得到TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，如图2中曲线1所示：

式中，

步骤3、基于TLD当前设计，包括TLD当前外形尺寸、液深以及内置耗能装置设计参数，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析，对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

在本实施例中，基于TLD当前外形尺寸、液深以及内置耗能装置设计参数，构建TLD缩尺模型，针对上述构建的TLD缩尺模型，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验，在得到试验结果后换算到TLD缩尺模型对应的原型，从而得到液体晃荡频率f

上述TLD缩尺模型为依据TLD当前设计结构为原型结构，按照一定相似准则进行设计制作；具体的TLD缩尺模型和TLD原型结构相似准则为：

长度缩尺比为：

质量缩尺比为：

时间缩尺比为：

频率缩尺比为：

加速度缩尺比为：

其中，n为常数，代表长度缩尺比值，L

本实施例中，本步骤进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析后，对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到若干TLD响应对应的TLD阻尼比数据点，对这些数据点进行拟合可得TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，如图2中所示曲线2所示：

式中，

本实施例中，本步骤中所提到的模态参数识别方法可以是曲线拟合法、随机减量法、改进的贝叶斯方法等参数识别方法。其中，通过改进的贝叶斯方法对解耦分离得到的模特响应信号进行模态参数识别的过程如下：

S1、构造模态坐标下的激励功率谱密度函数

式中，S

S2、计算TLD模态响应信号y(t)功率谱密度S

其中

计算TLD模态响应y(t)功率谱密度S

式中，S

其中，

式中，

S3、计算S

当k

式中，

S4、计算TLD模态参数最优解，得到TLD的多阶频率f

另外，曲线拟合法与上述改进的贝叶斯方法采用相同的模态激励功率谱密度函数假设，根据模态响应信号的功率谱密度可以采用最小二乘法局部拟合出TLD频率和阻尼比。随机减量法将模态响应信号视为由两部分线性叠加而成，即初始条件决定的自由振动响应以及外荷载激励产生的随机强迫振动部分，采用相同的阈值按照相等长度截取信号，并对所得到的一系列等长信号进行平均，得到自由振动衰减曲线，对该曲线按照有阻尼系统的自由振动方程进行拟合，可得TLD频率、阻尼比。

步骤4、基于步骤2和步骤3拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

在本实施例中，联立步骤2和步骤3拟合得到的TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，具体如下：

两公式联立求交点，此时

步骤5、判断步骤3中得到液体晃荡频率f

步骤6、针对TLD外形尺寸、液深、内置耗能装置设计参数中的其中一个或多个进行修改，然后返回步骤3；其中TLD内置耗能装置包括装置的外形尺寸大小、装置数量以及装置摆放位置，TLD内置耗能装置包括TLD内部的格栅、可旋转隔板、桨柱等。

具体的：

当f

当f

当

当

步骤7、将最终获取到的TLD外形尺寸、液深和内置耗能装置设计参数作为TLD的最终设计结果。

本实施例方法在TLD初步设计基础上，计算结构-TLD耦合系统在不同重现期风荷载作用下的响应，并进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析，得到更为准确的结构-TLD耦合系统设计参数，以此为依据进行TLD设计参数的调整，直到获取到的TLD设计参数f

本领域技术人员可以理解，实现本实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读存储介质中。应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本实施例1的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序，有些步骤也可以同时执行。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

实施例2

本实施例公开了一种调谐液体阻尼器设计装置，包括如下功能模块：

TLD初步设计模块，用于获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

构建模块，用于结构-TLD耦合系统运动方程；

敏感分析和拟合模块，用于对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线；

模态参数识别和拟合模块，在基于TLD当前设计，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析的情况下，用于对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

阻尼比计算模块，用于基于敏感分析和拟合模块与模态参数识别和拟合模块拟合得到TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

判定模块，用于判断模态参数识别和拟合模块得到液体晃荡频率f

修改模块，用于在判定模块判定出液体晃荡频率f

本实施例上述各个模块的具体实现可以参见上述实施例1，在此不再一一赘述。需要说明的是，本实施例提供的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

实施例3

本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的调谐液体阻尼器设计方法，如下：

步骤1、获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

步骤2、构建结构-TLD耦合系统运动方程，对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线。

步骤3、基于TLD当前设计，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析，对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

步骤4、基于步骤2和步骤3拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

步骤5、判断步骤3中得到液体晃荡频率f

若否，则针对TLD外形尺寸、液深、内置耗能装置设计参数中的其中一个或多个进行修改，然后返回步骤3；

若是，则将最终获取到的TLD外形尺寸、液深和内置耗能装置设计参数作为TLD的最终设计结果。

在本实施例中，存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

实施例4

本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的调谐液体阻尼器设计方法，如下：

步骤1、获取设计要求的结构-TLD耦合系统的质量比μ、液体晃荡频率f

步骤2、构建结构-TLD耦合系统运动方程，对结构-TLD耦合系统进行不同重现期风荷载作用下的TLD阻尼比敏感性分析，并拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线。

步骤3、基于TLD当前设计，进行有色噪声激励下的TLD减振性能振动台试验或数值模拟分析，对测得的TLD响应进行解耦分离再进行模态参数识别，得到液体晃荡频率f

步骤4、基于步骤2和步骤3拟合TLD响应与TLD阻尼比关系曲线，计算得到不同重现期风荷载作用下的TLD所能提供的阻尼比值

步骤5、判断步骤3中得到液体晃荡频率f

若否，则针对TLD外形尺寸、液深、内置耗能装置设计参数中的其中一个或多个进行修改，然后返回步骤3；

若是，则将最终获取到的TLD外形尺寸、液深和内置耗能装置设计参数作为TLD的最终设计结果。

本实施例中，计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、PDA手持终端、平板电脑等终端设备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。