一种索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法及设计方法

本发明涉及带刚度阻尼器的参数优化方法，特别是一种索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法及设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着斜拉桥或悬索桥跨度的增大，索结构的长度也在不断增长。大跨度斜拉桥或悬索桥的索结构质量小，阻尼低，在常遇风速下，易发生风致振动现象，而在风速较大时，索结构往往容易出现高阶涡振。索结构的振动会引起索结构端部接头位置出现疲劳现象，造成索结构保护套破裂或耳板开裂，从而加速索结构内钢丝的腐蚀，严重时甚至会导致索结构失效。目前，已有针对索结构高阶振动控制的阻尼器，如高阻尼橡胶阻尼器、粘滞剪切型阻尼器和金属阻尼器等带刚度阻尼器，金属阻尼器中钢丝绳阻尼器是索结构高阶振动控制的较好的选择。但以往的研究主要针对的索结构的低阶模态，阻尼器的参数优化理论并不适用于高阶振动。因此，有必要针对适用于索结构高阶振动及考虑阻尼器自身刚度的阻尼器优化设计理论开展研究。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在没有能够适用于索结构高阶振动及考虑阻尼器自身刚度的阻尼器优化设计方法的问题，提供一种索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法及设计方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法，包括以下步骤：

4、s1、根据索结构动力特性确定所需控制的频带和阶数范围，并确定所需的目标阻尼比ζtarg；

5、s2、根据所需控制阶数范围和索结构长度l确定带刚度阻尼器在索结构上的安装位置；

6、s3、确定索结构实际振幅并在带刚度阻尼器所需控制的阶数范围内选择一个目标阶数，根据带刚度阻尼器安装的位置、索结构实际振幅和目标阶数确定带刚度阻尼器最优阻尼系数及刚度；

7、s4、根据最优阻尼系数及刚度计算所需控制阶数范围的各阶的模态阻尼比ζn；

8、s5、将各所需控制阶数的模态阻尼比ζn与目标阻尼比ζtarg进行比较，若ζn>ζtarg，则此时的带刚度阻尼器参数则为最优阻尼器参数；若ζn<ζtarg，返回步骤s3，重新选取一个目标阶数，重复步骤s3到s5，直至ζn>ζtarg。

9、本方案中，实际测量只能测出振动频率和振动幅度，频率是用来确定阶数范围的，通过频率计算出振动的阶数范围。所需的目标阻尼比ζtarg根据经验给定。因为索结构的实际振幅要大于带刚度阻尼器的实际振幅，故确定索结构的实际振幅。所需控制阶数范围内有若干个所需控制阶数，在步骤s4中，需要计算每个所需控制阶数对应的模态阻尼比ζn；在步骤s5中，需要将每个所需控制阶数对应的模态阻尼比ζn与目标阻尼比ζtarg进行比较，且所有比较均满足ζn>ζtarg，才可以判断此时的带刚度阻尼器参数则为最优阻尼器参数。

10、本发明所述索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法，根据经验给定一个目标阻尼比ζtarg，并在所需控制阶数范围内选择一个目标阶数，使得能够依据带刚度阻尼器安装的位置、索结构实际振幅和目标阶数计算获得带刚度阻尼器最优阻尼系数及刚度，并计算所有所需控制阶数的阻尼比，如果控制阶数范围内有阶数的模态阻尼比ζn不能达到目标阻尼比ζtarg，则重新选择目标阶数；如果所需控制阶数的阻尼比ζn都达到目标阻尼比ζtarg，则该目标阶数的对应带刚度阻尼器参数则为最优阻尼器参数，即可通过最优阻尼器参数来设计带刚度阻尼器；索结构-阻尼器系统模态阻尼比目前可通过渐近解和迭代解计算，渐近解在推导时引入了假定即带刚度阻尼器的安装位置要远小于单个波形长度。这个假定在低阶模态时可以满足，但是在高阶模态时不成立，因此在计算高阶模态的阻尼比时只能使用迭代解。但迭代解由于不是显式的计算公式，需要编程计算，使用起来不够简便。而本技术提出的方法不仅适应于低阶振动的带刚度阻尼器参数优化，还适应于高阶振动的带刚度阻尼器参数优化，并且具有显式解，使用方便，扩展了对于自身刚度较大阻尼器的优化理论，使得能够对于高阶振动的带刚度阻尼器做更优的设计。

11、优选的，在步骤s4中，计算各阶模态的阻尼比ζn的公式为：

12、

13、

14、

15、式中：n为阶数；β为复波数，为阻尼系数的无量纲形式；t为索结构索力；a为阻尼力作用位置与锚固端距离，由带刚度阻尼器在索结构上的安装位置确定；k为阻尼器自身刚度。

16、优选的，当带刚度阻尼器为钢丝绳阻尼器时，步骤s3包括以下步骤：

17、s3a、在钢丝绳阻尼器所需控制的阶数范围内选择一个目标阶数，并假设钢丝绳阻尼器的刚度，然后根据目标阶数、假设的钢丝绳阻尼器的刚度计算最优阻尼系数η1；

18、s3b、根据最优阻尼系数η1和索结构实际振幅确定钢丝绳阻尼器的设计参数，根据设计参数和和索结构实际振幅计算该设计参数下的钢丝绳阻尼器的刚度；

19、s3c、重新根据步骤s3b中得到的钢丝绳阻尼器的刚度计算目标阶数的最优阻尼系数η2，若η2-η1<tol，以最优阻尼系数η2作为新的最优阻尼系数η1获取钢丝绳阻尼器的设计参数和刚度，此时的钢丝绳阻尼器的设计参数和钢丝绳阻尼器的刚度为该最优阻尼系数η2对应的阻尼器参数和阻尼器自身刚度；若η2-η1>tol，则返回步骤s3b，基于η2作为新的η1重复步骤s3b和s3c，得到新的设计参数、刚度和最优阻尼系数η2，直至η2-η1<tol，其中，tol为容差；

20、其中，在步骤s3b之前，还包括确定索结构实际振幅。

21、采用上述方法，通过迭代的方式，能够获得钢丝绳阻尼器在目标阶数的设计参数、刚度以及最优阻尼系数η2，以最优阻尼系数η2作为最优阻尼系数来计算所需控制阶数的模态阻尼比ζn。

22、优选的，计算最优阻尼系数η1和最优阻尼系数η2的公式为：

23、

24、式中：ηoptn为索结构-带刚度阻尼器系统第n阶附加模态阻尼比达到最大值所需的无量纲阻尼系数，即最优无量纲阻尼系数；l为索结构长度；k为阻尼器自身刚度；β为复波数，a为阻尼力作用位置与锚固端距离；t为索结构索力。

25、优选的，确定钢丝绳阻尼器的设计参数的公式为：

26、e(ld,n,wd)＝a1+a2·ld+a3·n+a4·wd+a5·ld2+a6·n2+a7·wd2；

27、计算该设计参数下的钢丝绳阻尼器的刚度的公式为：

28、k(ld,n,wd)＝b1+b2·ld+b3·n+b4·wd+b5·ld2+b6·n2+b7·wd2；

29、式中，e为钢丝绳阻尼器耗能面积；ld为钢丝绳阻尼器绳圈中径；n钢丝绳绳圈圈数；wd为钢丝绳直径；k为阻尼器自身刚度；a1到a7取值如表1；b1到b7取值如表2；

30、表1不同振幅下耗能面积计算公式参数取值

31、

32、

33、表2不同振幅下等效刚度计算公式参数取值

34、

35、

36、优选的，容差tol为0.1至1；在步骤s3c中，先取容差tol为0.1；

37、当容差tol无法满足η2-η1<tol时，则按0.1的增值改变容差tol，能够较为快速的满足η2-η1<tol的条件。

38、优选的，在步骤s5中，当阶数范围内选取一个目标阶数均无法使ζn>ζtarg，则返回步骤s2，重新调整钢丝绳阻尼器安装的位置，重复步骤s3到s5，直至ζn>ζtarg。

39、优选的，在步骤s3中，在带刚度阻尼器所需控制的阶数范围内选择目标阶数时取中值，采用取中值的方式，能够快速获取最优目标阶数。

40、优选的，在步骤s3中，采用加速度传感器，激光位移传感器或dic图像识别技术实测索结构实际振幅，快速、准确。

41、一种索结构-带刚度阻尼器的设计方法，采用所述的索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法获取最优阻尼器参数，根据最优阻尼器参数设计带刚度阻尼器。

42、本发明所述索结构-带刚度阻尼器的设计方法，能够快速、准确的对高阶振动和低阶振动的阻尼器参数进行优化，使得设计带刚度阻尼器更加容易，且设计的带刚度阻尼器能够更好的符合需求。

43、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

44、1、本发明所述索结构-带刚度阻尼器的参数优化方法，根据经验给定一个目标阻尼比ζtarg，并在所需控制阶数范围内选择一个目标阶数，使得能够依据带刚度阻尼器安装的位置、索结构实际振幅和目标阶数计算获得带刚度阻尼器最优阻尼系数及刚度，并计算所有所需控制阶数的模态阻尼比ζn，如果控制阶数内有阶数的模态阻尼比ζn不能达到目标阻尼比ζtarg，则重新选择目标阶数；如果所需控制阶数的模态阻尼比ζn都达到目标阻尼比ζtarg，则该目标阶数的对应带刚度阻尼器参数则为最优阻尼器参数，即可通过最优阻尼器参数来设计带刚度阻尼器；这种方法不仅适应于低阶振动的带刚度阻尼器参数优化，还具有显式解，使用方便，适应于高阶振动的带刚度阻尼器参数优化，扩展了对于自身刚度较大阻尼器的优化理论，使得能够对于高阶振动的带刚度阻尼器做更优的设计。

45、2、本发明所述索结构-带刚度阻尼器的设计方法，能够快速、准确的对高阶振动和低阶振动的阻尼器参数进行优化，使得设计带刚度阻尼器更加容易，且设计的带刚度阻尼器能够更好的符合需求。