Luận án tiến sĩ nghiên cứu thiết kế tối ưu và điều khiển bộ hấp thụ dao động có bộ cản và lò xo lắp đặt phức hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Xuân Nguyên NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG CĨ BỘ CẢN VÀ LỊ XO LẮP ĐẶT PHỨC HỢP LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2016 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Xuân Nguyên NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG CĨ BỘ CẢN VÀ LỊ XO LẮP ĐẶT PHỨC HỢP Chuyên ngành: Cơ học vật rắn Mã số: 62440107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Người hướng dẫn 1: GS TSKH Nguyễn Đông Anh Người hướng dẫn 2: TS Lã Đức Việt Hà Nội - 2016 z Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Nguyên i z Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS Nguyễn Đơng Anh Thầy tận tình hướng dẫn, dìu dắt, truyền cho tơi niềm đam mê khoa học có ảnh hưởng lớn đến tơi từ tơi cịn sinh viên q trình học tập, nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lã Đức Việt Một người anh, người thầy giúp đỡ tơi nhiều q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tơi Khoa Tốn-Cơ-Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Cảm ơn người bên tơi lúc khó khăn cơng việc sống Hà Nội, năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Nguyên ii z Mục lục Danh sách hình vẽ Danh sách bảng Bảng ký hiệu viết tắt 10 Mở đầu 11 Chương Tổng quan 14 1.1 Bộ hấp thụ dao động 14 1.2 Bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng 17 1.3 Bộ hấp thụ dao động TMD thụ động 17 1.3.1 Mơ hình TMD kinh điển 17 1.3.2 Mơ hình TMD nối 19 1.3.3 Mơ hình TMD ba thành phần 20 1.3.4 Mơ hình kết cấu lắc thuận 21 1.3.5 Mơ hình kết cấu lắc ngược 22 1.4 Bộ hấp thụ dao động TMD bán chủ động 23 1.4.1 Điều khiển bán chủ động 23 1.4.2 Thiết bị cản nhớt dạng tắt bật 24 Chương Bộ hấp thụ dao động dạng thụ động 27 2.1 Mơ hình hấp thụ dao động dạng kinh điển 28 2.1.1 Kết cấu khơng cản 28 2.1.2 Kết cấu có cản 30 2.1.3 Kết so sánh số 39 z 2.2 Mô hình hấp thụ dao động dạng nối 44 2.2.1 Kết cấu khơng có cản 44 2.2.2 Kết cấu có cản 48 2.2.3 Kết so sánh số 54 2.3 Mơ hình hấp thụ dao động ba thành phần 58 2.3.1 Kết cấu khơng có cản 58 2.3.2 Kết cấu có cản 62 2.3.3 Kết so sánh số 65 2.4 Bộ hấp thụ dao động kết cấu lắc thuận 67 2.4.1 TMD chuyển động theo phương tiếp tuyến 69 2.4.2 TMD chuyển động theo phương pháp tuyến 73 2.4.3 Một TMD chuyển động đồng thời theo phương tiếp tuyến phương pháp tuyến 75 2.4.4 Hai TMD chuyển động đồng thời theo phương tiếp tuyến phương pháp tuyến 78 2.5 Bộ hấp thụ dao động kết cấu lắc ngược 80 2.5.1 Kết cấu không cản 81 2.5.2 Kết cấu có cản 86 2.5.3 Kết so sánh số 92 Chương Bộ hấp thụ dao động bán chủ động 97 3.1 Thuật toán điều khiển thiết bị cản dạng tắt bật 98 3.2 Bộ hấp thụ dao động kinh điển bán chủ động 99 3.2.1 Kết cấu chịu kích động lực 99 3.2.2 Kết cấu chịu kích động tối ưu chuyển dịch tuyệt đối 101 3.2.3 Kết cấu chịu kích động tối ưu chuyển dịch tương đối 103 3.3 Bộ hấp thụ dao động bán chủ động dạng nối 104 3.3.1 Kết cấu chịu kích động lực 104 3.3.2 Kết cấu chịu kích động tối ưu chuyển dịch tuyệt đối 106 3.3.3 Kết cấu chịu kích động tối ưu chuyển dịch tương đối 109 z 3.4 Bộ hấp thụ dao động bán chủ động kết cấu lắc thuận 110 3.4.1 TMD bán chủ động chuyển động theo phương tiếp tuyến 110 3.4.2 TMD bán chủ động chuyển động theo phương pháp tuyến 115 3.4.3 Một TMD bán chủ động chuyển động đồng thời theo hai phương 119 3.4.4 Hai TMD bán chủ động chuyển động đồng thời theo hai phương 121 3.5 Bộ hấp thụ dao động bán chủ động kết cấu lắc ngược 124 Kết luận 129 Danh mục công trình khoa học 130 Tài liệu tham khảo 132 z Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Mơ hình TMD kinh điển Mơ hình TMD nối Mơ hình TMD ba thành phần Giảm chấn khơng khí Mơ hình lắc thuận Mơ hình lắc ngược Thiết bị cản nhớt có lỗ van phụ biến đổi Thiết bị cản nhớt từ lưu biến 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Mơ hình TMD kinh điển kết cấu chịu kích động lực 28 Mơ hình TMD kinh điển kết cấu chịu kích động 29 Sự xấp xỉ hệ 32 TMD gắn vào kết cấu có cản chịu kích động lực 35 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ hệ chịu kích động lực 36 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs hệ chịu kích động lực 36 TMD gắn vào kết cấu có cản chịu kích động 37 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ kết cấu chịu kích động 38 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs kết cấu chịu kích động 39 So sánh thông số tối ưu TMD kết cấu chịu kích động lực với µ = 0.05, ξs = 0.1 40 So sánh thông số tối ưu TMD hệ chịu kích động lực với µ = 0.08, ξs = 0.1 41 So sánh thông số tối ưu TMD hệ chịu kích động với hàm mục tiêu chuyển dịch tuyệt đối µ = 0.03, ξs = 0.2 42 So sánh thông số tối ưu TMD hệ chịu kích động với hàm mục tiêu chuyển dịch tuyệt đối µ = 0.05, ξs = 0.15 43 So sánh thông số tối ưu TMD hệ chịu kích động với hàm mục tiêu chuyển dịch tương đối µ = 0.03, ξs = 0.03 43 So sánh thông số tối ưu TMD hệ chịu kích động với hàm mục tiêu chuyển dịch tương đối µ = 0.05, ξs = 0.03 44 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 z 18 20 21 21 22 23 25 25 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.50 Mơ hình TMD nối kết cấu chịu kích động lực 45 Mơ hình TMD nối kết cấu chịu kích động 45 So sánh hàm khuếch đại dao động GA GB 47 So sánh hàm truyền dao động TA TB 47 So sánh hàm truyền dao động RA RB 48 TMD dạng nối gắn vào kết cấu có cản chịu kích động lực 49 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ hệ chịu kích động lực 49 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs hệ chịu kích động lực 50 TMD dạng nối gắn vào kết cấu có cản chịu kích động 50 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ chuyển dịch tuyệt đối hệ chịu kích động 51 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs chuyển dịch tuyệt đối hệ chịu kích động nền52 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ chuyển dịch tương đối hệ chịu kích động 53 Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs chuyển dịch tương đối hệ chịu kích động nền53 So sánh hàm khuếch đại dao động GB µ = 0.1, ξs = 0.08 54 So sánh hàm khuếch đại dao động GB µ = 0.1, ξs = 0.15 55 So sánh hàm khuếch đại dao động GB µ = 0.15, ξs = 0.08 55 So sánh hàm khuếch đại dao động GB µ = 0.15, ξs = 0.15 56 So sánh hàm truyền dao động TB µ = 0.05, ξs = 0.2 56 So sánh hàm truyền dao động TB µ = 0.1, ξs = 0.15 57 So sánh hàm truyền dao động RB µ = 0.03, ξs = 0.08 57 So sánh hàm truyền dao động RB µ = 0.05, ξs = 0.05 58 Thiết bị giảm chấn khơng khí 59 Mơ hình TMD ba thành phần kết cấu chịu kích động lực 60 Mơ hình TMD ba thành phần kết cấu chịu kích động 60 Sự so sánh TMD kinh điển TMD ba thành phần 61 TMD ba thành phần lắp đặt vào kết cấu có cản chịu kích động lực 62 Sự thay đổi thông số tối ưu TMD ba thành phần theo tỷ số khối lượng µ 63 Sự thay đổi thông số tối ưu TMD ba thành phần theo tỷ số cản kết cấu ξs 63 TMD ba thành phần lắp đặt vào kết cấu có cản chịu kích động 64 So sánh hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.03 ξs = 0.1 65 So sánh hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.03 ξs = 0.15 65 Sự so sánh hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.05 ξs = 0.1 66 So sánh hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.05 ξs = 0.15 66 So sánh giá trị cực đại hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.1 67 So sánh giá trị cực đại hàm khuếch đại dao động GC với µ = 0.2 67 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55 2.56 2.57 2.58 2.59 2.60 2.61 2.62 2.63 2.64 2.65 2.66 2.67 2.68 2.69 2.70 2.71 2.72 2.73 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 So sánh hàm truyền dao động TC với µ = 0.03 ξs = 0.1 So sánh hàm truyền dao động TC với µ = 0.03 ξs = 0.15 So sánh hàm truyền dao động TC với µ = 0.05 ξs = 0.1 So sánh hàm truyền dao động TC với µ = 0.05 ξs = 0.15 So sánh giá trị cực đại hàm truyền dao động TC với µ = 0.1 So sánh giá trị cực đại hàm truyền dao động TC với µ = 0.2 TMD chuyển động theo phương tiếp tuyến TMD chuyển động theo phương pháp tuyến Một TMD chuyển động đồng thời theo phương tiếp tuyến phương pháp tuyến Đồ thị hàm mục tiêu tối ưu J theo θ0 với (I): TMD theo hai phương, (II): TMD pháp tuyến, (III): TMD tiếp tuyến Hai TMD chuyển động đồng thời theo phương tiếp tuyến phương pháp tuyến Kết cấu lắc ngược không cản lắp đặt TMD Mơ hình TMD dạng lắc ngược Đồ thị hàm khuếch đại dao động GD ứng với giá trị khác tỷ số cản ξd Hiệu TMD lắp đặt vào kết cấu có dạng lắc ngược Sự xấp xỉ hệ lắc ngược TMD lắp đặt vào kết cấu dạng lắc ngược có cản Sự thay đổi thông số tối ưu α, ξd TMD theo tỷ số khối lượng µ Sự thay đổi thông số tối ưu α, ξd TMD theo tỷ số cản kết cấu ξd Tháp có khớp nối ngập mặt nước biển TMD dạng lắc ngược lắp đặt bên tháp So sánh hàm khuếch đại dao động GD trường hợp kết cấu khơng cản So sánh hàm khuếch đại dao động GD trường hợp kết cấu có cản Thuật toán điều khiển thiết bị cản dạng tắt bật Mơ hình hấp thụ dao động kinh điển bán chủ động kết cấu chịu kích động lực Dịch chuyển hệ chịu kích động va chạm Dịch chuyển hệ chịu kích động lực điều hòa Dịch chuyển hệ chịu kích động lực ngẫu nhiên Mơ hình hấp thụ dao động kinh điển bán chủ động kết cấu chịu kích động Dịch chuyển tuyệt đối kết cấu chịu kích động điều hịa Dịch chuyển tuyệt đối kết cấu chịu kích động ngẫu nhiên 98 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 68 68 69 69 70 70 71 73 75 77 79 81 83 84 86 86 90 91 92 92 93 94 96 99 100 101 101 102 102 103 xs = B1 + B2 GB = f0 /ks B2 + B2 (2.46) B1 = α2 − β B2 = 2αβξd 2 2 B3 = α − (1 + α + µα + 4αξs ξd )β + β (2.47) B4 = 2αβξd (1 − β + µα2 ) + 2ξs β(α2 − β ) Sử dụng phương trình (2.41), (2.25) (2.29), ta có tham số tối ưu 48 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 Chương Bộ hấp thụ dao động dạng thụ động Hình 2.21: TMD dạng nối gắn vào kết cấu có cản chịu kích động lực 1.4 Cac thong so toi uu α va ξd 1.2 αoptimal 0.8 0.6 ξdoptimal 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Ty so khoi luong µ 0.3 0.35 0.4 Hình 2.22: Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số khối lượng µ hệ chịu kích động lực TMD dạng nối trường hợp sau α=√ q 1−µ 1+ r 3µ ξd = 2−µ π2 (π −2)2 ξs + π π −2 ξs  (2.48) Các hình vẽ 2.22 2.23 mô tả biến thiên thơng số tối ưu α, ξd mơ hình TMD nối theo tỷ số khối lượng µ tỷ số cản kết 49 z 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.99 37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.2237.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.66 Chương Bộ hấp thụ dao động dạng thụ động Cac thong so toi uu α va ξd 1.4 α 1.2 optimal 0.8 0.6 ξdoptimal 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Ty so can cua ket cau chinh ξ 0.3 0.35 0.4 s Hình 2.23: Sự thay đổi thông số tối ưu α ξd theo tỷ số cản kết cấu ξs hệ chịu kích động lực cấu ξs 2.2.2.2 Các thông số tối ưu TMD kết cấu chịu kích động với hàm mục tiêu chuyển dịch tuyệt đối Hình 2.24: TMD dạng nối gắn vào kết cấu có cản chịu kích động Hình 2.24 trường hợp TMD nối lắp đặt vào kết cấu có cản chịu kích động Hàm truyền dao động chuyển dịch tuyệt đối kết cấu cho biểu thức s 2 xs B1t + B2t TB =