一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法与流程

技术特征：
1.一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据受控结构的动力特性和平面构造，确定tld的形状、尺寸以及储水高度；s2、基于tld的形状和尺寸，对tld内部挡板的构造尺寸和安装方位进行设计；s3、建立内置可旋转挡板tld数值模型并模拟tld液体的晃动过程，获取tld的模态参数；s4、建立结构和足尺tld的耦合系统，计算风荷载作用下结构耦合振动响应及其减振率；s5、判断内置可旋转挡板tld能否使受控结构达到理想的控制效果。2.根据权利要求1所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s1具体为：获取受控结构各楼层的质量和所在高度，根据线性振型假设估算受控结构的基阶模态质量m
s
，然后设计质量比μ，从而得到tld有效质量m
t
，具体公式为：m
t
＝μm
s
根据受控结构的固有频率f
s
和结构-tld系统的质量比μ，计算tld达到最优控制效果时的晃动频率f
t
和阻尼比ζ
t
，具体公式为：，具体公式为：tld采用矩形水箱的形式，在楼面空间允许情况下设计tld长度l，由矩形tld基阶模态频率的理论公式计算得到tld的储水高度h，具体公式为：其中，g为重力加速度；储水高度h需满足tld所在楼层的层高限制，若不满足则调整长度l重新进行设计；tld高度h大于储水高度h；根据tld有效质量m
t
计算宽度w，具体公式为：其中，ρ表示水的密度，β表示质量参与系数；宽度w需满足tld安装位置的空间限制，若不满足则重新选择安装位置或者调整长度l重新进行设计。3.根据权利要求1所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：s21、设计挡板的长度l、高度h以及厚度w；s22、设计挡板安装位置p；s23、设计挡板的旋转角度θ。4.根据权利要求3所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s21具体为：
在tld内部竖直放置两列挡板，挡板高度与tld高度h相等，挡板长度l由tld宽度w计算得到，具体公式为：其中，k表示每列挡板的个数；挡板厚度w应满足挡板刚度和承载力的要求。5.根据权利要求3所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s22具体为：挡板对称安装在tld中间，通过位置p来表示挡板中心点离x轴坐标原点的距离，具体公式为：其中，x
i
为挡板中心点的物理坐标。6.根据权利要求3所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s23具体为：挡板可绕中心点进行旋转，通过旋转角度θ表示挡板与tld长度方向的夹角；每块挡板的旋转角度相同，相邻挡板旋转方向相反；其中，θ采用弧度制表示，θ最小为0，此时挡板与长边平行，当θ增大时，液体流经挡板的耗能增大，附加质量增大，因此θ越大tld阻尼比越大而频率越小；旋转角度θ的区间为0至0.9，换算为角度制为0
°
至51.6
°
。7.根据权利要求1所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s3具体包括以下步骤：s31、构建内置可旋转挡板tld的有限元数值模型；s32、进行有色噪声激励下的tld数值模拟计算；s33、通过tld液面响应获取tld的模态参数。8.根据权利要求7所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s3具体为：根据步骤s1和s2得到内置可旋转挡板tld设计方案，采用三维建模软件建立tld数值模型，并进行结构化网格划分；根据实际环境设置初始条件和边界条件，采用多相流模型来模拟计算tld在有色噪声激励下的晃动响应，并由液体体积法来实时监测tld液面的变化，通过引入流体体积分数α来表示单元内液相的成分，具体公式为：其中，u为流体速度矢量，当α＝0.5时表示自由液面；采用改进的贝叶斯方法由tld液面响应获取tld模态参数，模态参数包括基阶频率f1和阻尼比ζ1，具体为：对液面响应进行解耦得到各阶模态响应，构造模态坐标下激励的功率谱密度具体公式为：
其中，f
j
为tld第j阶模态频率，f为频率变量，s0为输入激励模态频率处的功率谱密度值，β为激励幂指数；对于平稳随机过程，tld液面响应功率谱密度函数在特定频率区段为chi-square分布，该分布表示为tld模态参数的函数，通过令模态参数的后验概率密度函数最大化，使参数识别结果达到最优；识别结果的不确定性由后验变异系数来评估。9.根据权利要求1所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s4具体为：建立多自由度结构在tld控制下的运动方程，具体公式为：其中，m、c、k分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵以及刚度矩阵，u
t
、、分别为结构位移向量、速度向量以及加速度向量，f
e
为风荷载向量，g风荷载作用位置矩阵，f
t
为tld控制力，h为反映tld位置的列向量；f
t
表示tld壁面处所有单元的压强积分在晃动方向上的分量，具体公式为：其中，s1、s2以及s3分别代表tld壁面边界、挡板长边边界以及短边边界，p1(s)、p2(s)以及p3(s)分别代表tld壁面处压强、挡板长边边界处压强以及短边边界处压强，ds代表边界微元；当f
t
为常数0时，获得结构未安装tld的风致振动响应；通过减振率η来衡量tld的减振效果，具体公式为：其中，σ
′
s
和σ
s
分别表示结构受控前和受控后的加速度响应均方根值。10.根据权利要求9所述的一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，步骤s5具体为：基于步骤s4得到内置可旋转挡板tld的减振率η，若η小于预设的控制目标，则表示tld未达到预期控制效果，返回步骤s2针对挡板重新设计，并执行步骤s2后续步骤；若η大于或等于预设的控制目标，则表示tld达到预期控制效果，将对应的tld形状尺寸、挡板的构造尺寸和安装方位作为内置可旋转挡板tld的最终设计方案。

技术总结
本发明公开了一种内置可旋转挡板调谐液体阻尼器的设计方法，包括以下步骤：S1、根据受控结构的动力特性和平面构造，确定TLD的形状、尺寸和储水高度；S2、基于TLD的形状和尺寸，对TLD内部挡板的构造尺寸和安装方位进行设计；S3、建立内置可旋转挡板TLD数值模型并模拟TLD液体的晃动过程，获取TLD的模态参数；S4、建立结构和足尺TLD的耦合系统，计算风荷载作用下结构耦合振动响应及其减振率；S5、判断内置可旋转挡板TLD能否使受控结构达到理想的控制效果。本发明方法实现形式清晰简洁，便于实际工程应用，可以使得内置可旋转挡板调谐液体阻尼器设计更为精确和可靠。器设计更为精确和可靠。器设计更为精确和可靠。


技术研发人员：周子杰 谢壮宁 张乐乐 石碧青
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.10.26
技术公布日：2022/2/18