本文利用 ABAQUS 有限元模拟以及振动台试验对塔式结构的振动控制进行了分析研究。设计并制作了 TMD 减振装置,对其进行了在正弦波和地震波作用下,有无 TMD 装置的动力分析以及振动台试验,包括塔架的自振特性测定以及动力响应测试。并将此 TMD 用在实际风力发电机塔架上,进行数值模拟。在此基础上,优化此 TMD 装置,通过安装 TLMD、PD 以及 TL-PD 阻尼器的振动台试验,比较各阻尼器的减振效果。得出了以下成果和结论:
1、通过对试验所用模型进行 ABAQUS 模态分析和动力响应分析,得出与振动台试验一致的结论,塔架的一阶自振频率为 13.6 Hz,与振动台试验塔架自振特性测定结果误差仅为 4.99%。
2、数值分析和振动台试验结果均表明,在试验正弦波、天津波、Friuli 波和Hollister 波作用下,安装 TMD 后,塔架顶层位移、速度和加速度响应明显减小,减振率达 20%~80%。其中,当正弦波频率与塔架一阶固有频率相近时,减振效果最好。
3、对 TMD 装置进行优化,讨论了 TLMD、PD、TL-PD 共四种阻尼器在同样的地震波作用下减振效果的优劣。振动台试验表明,在地震波作用下,四种阻尼器无论是峰值还是均方根减振率均能达到 20%~60%,其中,TL-PD 的减振效果最好。
4、将此 TMD 应用到实际风力发电机塔架上,从数值分析计算结果可知,TMD对风机结构的风振响应有较好的控制效果,其中加速度控制效果最佳,可达53.83%,其次是速度和位移。同时,对比减振前后四种 TMD 布置方案下结构的振动响应,当低阶振型作用较大,不考虑高阶振型时,将一个大的 TMD 分解成多个小质量 TMD 时,控制效果会有所降低。
大量的理论分析、试验研究和工程应用结果表明:利用 TMD 进行结构减振是非常有效的,具有广阔的应用前景。本文主要是通过数值模拟和振动台试验进行塔架结构减振分析,与实际情况还是有点差距,以下提出几点作为今后工作的展望:
1、本文仅对设计制作的不锈钢塔架模型进行了振动台试验,相对于实际结构有未考虑周全的因素,在未来的研究中,希望能够做部分实际结构或者缩尺模型,针对实际结构设计出针对性更强的模型,使在振动台上完成对主体结构的振动控制试验成为可能。
2、相较于 TMD 而言,TLD 的数值模拟涉及流固耦合问题,较为复杂,因此本文仅对其进行了振动台试验研究。后续研究中有限元计算可以增加固液耦合模拟,对 TLMD 的减振原理进行理论分析。并且对各阻尼器的减振参数对减振效果的影响进行深入研究。
3、针对现有被动控制阻尼器的缺点(减振频带窄),提出改进措施,设计可以调节自身频率与主体结构相适应的阻尼器。
参 考 文 献
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