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 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 CÓ BỘ CẢN VÀ LÒ 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 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Nguyên i Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS Nguyễn Đông 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 tơi Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lã Đức Việt Một người anh, người thầy giúp đỡ nhiều trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tơi Khoa ToánCơTin học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quố c gia Hà Nội Cảm ơn người bên lúc khó khăn cơng việc sống Hà Nội, năm 2016 Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Nguyên ii 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 2.2 Mơ 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 khơng 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 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 cơng trình khoa học 130 Tài liệu tham khảo 132 Chương Bộ hấp thụ dao động bán chủ động Chuyen dich θ θ/ m cua thap co khop noi Hình 3.38: TMD bán chủ động dạng lắc ngược lắp đặt bên tháp noi Hình 3.39: So sánh TMD thụ động TMD bán chủ động lắp đặt bên tháp trường hợp dao động tự 0.2 0.15 TMD thu dong dang lac nguoc TMD ban chu dong dang lac nguoc 0.1 0.05 −0.05 −0.1 −0.15 50 Hình 3.40: So sánh TMD thụ động TMD bán chủ động lắp đặt bên tháp tháp chịu kích động lực 127 Chương Bộ hấp thụ dao động bán chủ động kết cấu ξs = 0.05 Các hình vẽ 3.39 3.40 thể so sánh TMD thụ động TMD bán chủ động dạng lắc ngược lắp đặt bên tháp trường hợp dao động tự trường hợp tháp chịu kích động lực Các thông số tối ưu TMD thụ động tính tốn từ phương trình (2.121) Giá trị lớn nhỏ tỷ số cản tắt bật trường hợp TMD bán chủ động ξdl = ξp/10 ξdh = 10 ξp, ξp tỷ số cản tối ưu TMD thụ động Chúng ta thấy TMD bán chủ động có hiệu giảm dao động tốt so với TMD thụ động 128 Kết luận Dao động xảy hầu hết kết cấu kỹ thuật thực tế máy móc, tịa nhà cao tầng, cầu, phương tiện giao thông vận tải, Đa phần dao động có hại ảnh hưởng đến độ bền q trình làm việc kết cấu Chính việc giảm dao động có hại vấn đề quan tâm kỹ sư nhà khoa học Trong phương pháp để giảm dao động có hại, phương pháp giảm dao động hấp thụ dao động phương pháp phát triển mạnh mẽ tính hiệu mặt kỹ thuật kinh tế, dễ dàng lắp đặt bảo dưỡng Luận án đề cập tới việc thiết kế tối ưu hấp thụ dao động dạng khối lượng trường hợp thụ động nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển thiết bị cản tắt bật hấp thụ dao động bán chủ động Luận án đạt kết sau: • Đã tìm thông số tối ưu hấp thụ dao động dạng khối lượng mơ hình kinh điển cho kết cấu khối lượng lị xo có cản • Đã tìm thông số tối ưu hấp thụ dao động dạng khối lượng mơ hình nối cho kết cấu khối lượng lị xo có cản • Đã tìm thơng số tối ưu hấp thụ dao động dạng khối lượng mơ hình ba thành phần cho kết cấu khối lượng lị xo có cản • Đã tìm thơng số tối ưu hấp thụ dao động dạng khối lượng cho kết cấu lắc ngược hai trường hợp khơng cản có cản • Đề xuất thuật toán điều khiển thiết bị cản tắt bật hấp thụ dao động kinh điển, hấp thụ dao động nối kết cấu dạng khối lượng lò xo dạng khác hấp thụ dao động kết cấu dạng lắc 129 Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến luận án [1] Anh N.D and Nguyen N.X (2010), FixedPoint Theory for Vibration Con trol of an Inverted Pendulum Type Structure by Passive Mass SpringPendulum Dynamic Vibration Absorber, Proceedings of the 10th National Conference on Solid Mechanics, Vietnam, 1213 November, 2010 [2] Anh N.D., Nguyen N.X (2012), Extension of equivalent linearization method to design of TMD for linear damped systems, Structural Control and Health Mon itoring 19(6), 565573 (ISI) [3] Anh N.D and Nguyen N.X (2012), Design of TMD for damped linear sys tems, AsianPacific Symposium on Structural Reliability and its Applications, Singapore, 2325 May, 2012 [4] Viet L.D and Nguyen N.X (2012), Some types of dynamic vibration ab sorbers in pendulum structures, The 2nd International Conference on Engineer ing Mechanics and Automation (ICEMA2), Hanoi, August 1617, 2012 [5] Anh N.D., Nguyen N.X and Hoa L.T (2013), Design of threeelement dy namic vibration absorber for damped linear structures, Journal of Sound and Vibration 332, 44824495 (ISI) [6] Viet L.D and Nguyen N.X (2013), Passive and semi active dampings of two orthogonal dynamic vibration absorbers in a pendulum structure, 20th In ternational Congress on Sound and Vibration (ICSV20), Bangkok, Thailand, 711 July 2013 [7] Anh N.D and Nguyen N.X (2013), Design of TMD for damped linear struc tures using the dual criterion of equivalent linearization method, International Journal of Mechanical Sciences 77, 164170 (ISI) 130 [8] Anh N.D and Nguyen N.X (2014), Design of nontraditio nal dynamic vi bration absorber for damped linear structures, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering 228(1), 45 55 (ISI) [9] Anh N.D., Nguyen N.X and Quan N.H (2016), Globalloca l approach to the design of dynamic vibration absorber for damped structures, Journal of Vi bration and Control, 22(14), 31823201 (ISI) [10] Anh N.D and Nguyen N.X (2015), A globallocal approa ch to the de sign of dynamic vibration absorber for damped inverted pendulum structures, Vietnam Journal of Mechanics 37, 4356 [11] Anh N.D and Nguyen N.X (2016), Research on the design of nontraditional dynamic vibration absorber for damped structures under ground motion, Jour nal of Mechanical Science and Technology, 30(2), 593602 (ISI) [12] Nguyen N.X and Anh N.D., Optimal parameters of dynamic vibration ab sorber for damped inverted pendulum structures, submitted to European Journal of Mechanics A/Solids , revised (ISI) 131 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt (2007), Giảm dao động thiết bị tiêu tán lượng, Nhà xuất Khoa học tự nhiên Công nghệ, Hà Nội Tiếng Anh [2] Aderson D., Desaix M., Lisak M and Rasch J (2010), Galerkin approach to approximate solutions of some nonlinear oscillator equations, American Journal of Physics 78(9), 920924 [3] Anh N.D., Hieu N.N and Linh N.N (2012), A dual criterion of equivalent linearization method for nonlinear systems subjected to random excitation, Acta Mechanica 223(3), 645654 [4] Anh N.D., Matsuhisa H., Viet L.D and Yasuda M (2007), Vibration control of an inverted pendulum type structure by passive massspri ngpendulum dynamic vibration absorber, Journal of Sound and Vibration 307, 187201 [5] Anh N.D and Nguyen N.X (2010), FixedPoint Theory for V ibration Con trol of an Inverted Pendulum Type Structure by Passive Mass Spring Pendulum Dynamic Vibration Absorber, Proceedings of the 10th National Conference on Solid Mechanics, Vietnam, 1213 November, 2010 [6] Anh N.D., Nguyen N.X (2012), Extension of equivalent linearization method to design of TMD for linear damped systems, Structural Control and Health Monitoring 19(6), 565573 [7] Anh N.D and Nguyen N.X (2012), Design of TMD for damped linear systems, AsianPacific Symposium on Structural Reliability and its Appli cations, Singapore, 2325 May, 2012 132 [8] Anh N.D and Nguyen N.X (2013), Design of TMD for damped linear structures using the dual criterion of equivalent linearization method, In ternational Journal of Mechanical Sciences 77, 164170 [9] Anh N.D., Nguyen N.X and Hoa L.T (2013), Design of threeelement dy namic vibration absorber for damped linear structures, Journal of Sound and Vibration 332, 44824495 [10] Anh N.D and Nguyen N.X (2014), Design of nontraditio nal dynamic vi bration absorber for damped linear structures, Proceedings of the Institu tion of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering 228(1), 4555 [11] Anh N.D., Nguyen N.X and Quan N.H (2014), Globalloca l approach to the design of dynamic vibration absorber for damped structures, Journal of Vibration and Control, DOI: 10.1177/1077546314561282 [12] Anh N.D and Nguyen N.X (2015), A globallocal approac h to the design of dynamic vibration absorber for damped inverted pendulum structures, Vietnam Journal of Mechanics 37, 4356 [13] Anh N.D and Nguyen N.X (2015), Research on the design of non traditional dynamic vibration absorber for damped structures under ground motion, Journal of Mechanical Science and Technology, accepted, in press [14] Asami T., Moroose K., Iribe K and Hosokawa Y (1993), Methods for Designing an Air Damper, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineering, Series C 59566, 29963002 [15] Asami T and Nishihara O (1999), Analytical and experimental evaluation of an air damped dynamic vibration absorber: design optimizations of the threeelement type model, Journal of Vibration and Acoustics 121, 334342 [16] Asami T and Nishihara O (2002), H2 optimization of the threeelement type dynamic vibration absorbers, Journal of Vibration and Acoustics 124, 583592 [17] Asami T and Nishihara O (2002), Design optimization of the threeelement type dynamic vibration absorbers based on the stability maximization, Dy namics & Design Conference 19, 14631468 [18] Asami T., Nishihara O and Baz A.M (2002), Analytical solutions to H∞ and H optimization of dynamic vibration absorbers attached to damped linear systems, Journal of Vibration and Acoustics 124, 284295 [19] Asami T and Sekiguchi H (1990), Fundamental Investigation on Air Damper (2nd Report, Theoretical and Experimental Study), Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineering, Series C 56532, 32013209 [20] Asami T., Wakasono T., Kameoka K., et al (1991), Optimum design of dynamic absorbers for a system subjected to random excitation, JSME In ternational Journal, Series 3, Vibration, Control Engineering, Engineering for Industry 34, 218226 133 [21] BarAvi P and Benaroya H (1996), Nonlinear dynamics of an articulated tower submerged in the ocean, Journal of Sound and Vibration 190, 77103 [22] Casciati F., Magonette G and Marazzi F (2006), Technology of Semiactive Devices and Applications in Vibration Mitigation, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, England [23] Caughey T.K (1956), Response of Van der Pols oscillator to random exci tations, Transactions of ASME, Journal of Applied Mechanics 26, 345348 [24] Caughey T.K (1960), Random excitation of a system with bilinear hystere sis, Transactions of ASME, Journal of Applied Mechanics 27, 649652 [25] Cheung Y.L and Wong W.O (2009), Design of a nontradit ional dynamic vibration absorber (L), Journal of the Acoustical Society of America 126, 564567 [26] Cheung Y.L and Wong W.O (2011), Hinfinity optimizat ion of a variant design of the dynamic vibration absorber revisited and new results, Journal of Sound and Vibration 330, 39013912 [27] Cheung Y.L and Wong W.O (2011), H2 optimization of a nontraditional dynamic vibration absorber for vibration control of structures under ran dom force excitation, Journal of Sound and Vibration 330, 10391044 [28] Crandall S.H and Mark W.D (1963), Random Vibration in Mechanical Systems, Academic Press, New York [29] Den Hartog J.P (1956), Mechanical Vibrations, McGrawHill Publishers, New York [30] Dong P., Benaroya H and Wei T (2004), Integrating experiments into an energybased reducedorder model for vortexinducedvib rations of a cylin der mounted as an inverted pendulum, Journal of Sound and Vibration 276, 4563 [31] Frahm H (1909), Device for Damped Vibration of Bodies, U.S Patent No 989958, 30 October 1909 [32] Fujino Y and Abe M (1993), Design formulas for tuned mass dampers based on a perturbation technique, Earthquake Engineering and Structural Dynamics 22, 833854 [33] Ghosh A and Basu B (2007), A closedform optimal tunin g criterion for TMD in damped structures, Structural Control and Health Monitoring 14, 681692 [34] Hagiwara T (1935), The Air Damper, Bulletin of the Earthquake Research Institute 13(4), 783788 [35] He J.H (2007), Variational approach for nonlinear oscillators, Chaos, Soli tons and Fractals 34, 14301439 134 [36] Hrovat D., Barak P and Rabins M (1993), SemiActive ve rsus Passive or Active Tuned Mass Dampers for Structural Control, Journal of Engineering Mechanics ASCE 109(3), 691705 [37] Ioi T and Ikeda K (1978), On the dynamic vibration damped absorber of the vibration system, Bulletin of the Japanese Society of Mechanical Engineering 21, 6471 [38] Iwata Y (1982), On the construction of the dynamic vibration absorbers, Preparation of the Japan Society of Mechanical Engineering 820, 150152 [39] Karnopp D., Crosby M and Harwood R (1974), Vibration Control Using SemiActive Force Generation, Journal of Engineering for Industry 96(2), 619626 [40] Krylov N and Bogoliubov N (1943), Introduction to Nonlinear Mechanics, Princeton University Press, Princeton [41] Liu K and Coppola G (2010), Optimal design of damped dynamic vibra tion absorber for damped primary systems, Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering 34, 119135 [42] Liu K and Liu J (2005), The damped dynamic vibration absorber: revisited and new result, Journal of Sound and Vibration 284, 11811189 [43] Matsuhisa H., Gu R., Wang Y., Nishihara O and Sato S (1995), Vibration control of a ropeway carrier by passive dynamic vibration absorbers, JSME International Journal (Series C) 38(4), 657662 [44] Matsuhisa H., Kitaura H., Isono M., Utsuno H., Park J.G and Yasuda M (2005), A new Coriolis dynamic absorber for reducing the swing of gondola, Proceedings of the AsiaPacific Vibration Conference , 2325 November 2005, Malaysia, 211215 [45] Nishihara O and Asami T (2002), Closeform solutions to the exact opti mizations of dynamic vibration absorber (minimizations of the maximum amplitude magnification factors), Journal of Vibration and Acoustics 124, 576582 [46] Nishihara O and Matsuhisa H (1997), Design and tuning of vibration trol devices via stability criterion, Preparation of the Japan Society of Me chanical Engineering 97, 165168 [47] Ormondroyd J and Den Hartog J.P (1928), The theory of the dynamic vibration absorber, Transactions of ASME, Journal of Applied Mechanics 50, 922 [48] Pedro Guimaraes V.B., Suzana Avila M., Maura Shzu A.M., Zenon Del Prado J.G and Marcus Morais V.G (2013), Vibration control of an off shore wind turbine modelled as an inverted pendulum, 11 th International Conference on Vibration Problems, Lisbon, Portugal, 912 September 2013 135 [49] Pennestrì E (1998), An application of Chebyshev’s minmax criterion to the optimal design of a damped dynamic vibration absorber, Journal of Sound and Vibration 217, 757765 [50] Randall S.E., Halsted D.M and Taylor D.L (1981), Optimum vibration absorbers for linear damped systems, ASME Journal of Mechanical Design 103, 908913 [51] Ren M.Z (2001), A variant design of the dynamic vibration absorber, Jour nal of Sound and Vibration 245, 762770 [52] Thompson A.G (1981), Optimum tuning and damping of a dynamic vi bration absorber applied to a force excited and damped primary system, Journal of Sound and Vibration 77, 403415 [53] Tigli O.F (2012), Optimum vibration absorber (tuned mass damper) design for linear damped systems subjected to random loads, Journal of Sound and Vibration 331, 30353049 [54] Viet L.D (2012), Semiactive on–off damping control o f a dynamic vibration absorber using Coriolis force, Journal of Sound and Vibration 331, 3429 3436 [55] Viet L.D (2012), Sequential design of two orthogonal dynamic vibration absorbers in a pendulum based on stability maximization, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering 226(11), 26452655 [56] Viet L.D., Anh N.D and Matsuhisa H (2011), The effective damping ap proach to design a dynamic vibration absorber using Coriolis force, Journal of Sound and Vibration 330, 19041916 [57] Viet L.D, Anh N.D and Matsuhisa H (2011), Vibration control of a pen dulum structure by a dynamic vibration absorber moving in both normal and tangential directions, Proceedings of the Institution of Mechanical En gineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering 225(5), 10871095 [58] Viet L.D and Nguyen N.X (2012), Some types of dynamic vibration ab sorbers in pendulum structures, The 2nd International Conference on Engi neering Mechanics and Automation (ICEMA2), Hanoi, August 1617, 2012 [59] Viet L.D and Nguyen N.X (2013), Passive and semi active dampings of two orthogonal dynamic vibration absorbers in a pendulum structure, 20th International Congress on Sound and Vibration (ICSV20), Bangkok, Thai land, 711 July 2013 [60] Warburton G.B (1982), Optimal absorber parameters for various combina tions of response and excitation parameters, Earthquake Engineering and Structural Dynamics 10, 381401 [61] Wong W.O and Cheung Y.L (2008), Optimal design of a damped dynamic vibration absorber for vibration control of structure excited by ground mo tion, Engineering Structures 30, 282286 136 [62] Yamaguchi H (1988), Damping of transient vibration by a dynamic ab sorber, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineering, Series C 54, 561568 137 ... loại hấp thụ dao động lắp ngồi TMD chất hệ tích hợp khối lượng, lò xo với hấp thụ dao động lắp khác hấp thụ dao động đàn nhớt hấp thụ dao động chất lỏng nhớt Khi sử dụng hấp thụ dao động lắp trong,... liệu kết cấu Bộ hấp thụ dao động chia làm hai loại chính: • Bộ hấp thụ dao động lắp trong: loại hấp thụ dao động hoạt động thông qua chuyển động tương đối phần bên kết cấu Bộ hấp thụ dao động lắp. .. sát dạng trục, hấp thụ dao động đàn nhớt, hấp thụ dao động dạng vách cản nhớt, hấp thụ dao động chất lỏng nhớt dạng khe van, • Bộ hấp thụ dao động lắp ngoài: bao gồm hấp thụ dao động dạng khối