[发明专利]一种TMD运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法

说明书

本发明公开了一种调谐质量阻尼器TMD运行状态数字孪生检测装置，包括：质量块、弹簧、阻尼和底座，还包括TMD传感器、数据采集点、检测控制器、数据总线和TMD运行状态数字孪生数据样本库。对TMD及其衍生减振系统进行实时监测，随时掌握TMD主要部件的运行状态，以此作为TMD系统各项参数调节的依据，使TMD始终处于监测之中，并处于最佳抑振效果提供数据支撑。本发明还公开了一种TMD运行状态判断方法，根据TMD运行状态数字孪生检测装置数据实时判断TMD组件疲劳故障还是TMD设计问题，进而为TMD全生命周期系统显示监测、预警和故障分析提供方法支撑。

技术领域

本发明涉及减震装置技术领域，具体涉及一种TMD运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法。背景技术

桥梁等土木结构在强风和地震等动力荷载作用下容易产生振动，大幅的结构振动危及自身结构安全，并降低其使用舒适性。近些年，世界桥梁工程将进入跨海连岛的超大跨径桥梁建设新时期,斜拉桥和悬索桥的跨径记录也一次次地被刷新,特别是悬索桥的跨径将会超过200Om,甚至达到5000m。随着桥梁跨径的不断增大,桥梁结构更趋于轻柔,对风等荷载的作用更加敏感,桥的柔性结构在施加荷载前后,结构和主要部件的形状及轴线都发生了很大变化,由位移变化引起的内力增量增大。如何保证桥梁在风作用下的动力稳定性以及如何有效抑制桥梁较大的风致振动成为桥梁工作者面临的最大考验,传统依靠增加桥梁刚度和材料强度的方法在大跨径桥梁抗风设计中从经济性和美观性的角度看是不合理的。

调谐质量阻尼器系统(Tuned Mass Damper System简称TMD系统)是目前常用的被动抑振方法，它由质量块、弹簧(刚度)、阻尼(阻尼单元) 组成。TMD系统主要是通过共振原理来实现振动控制效果，只有当TMD系统的振动频率与结构受控自振频率相近时，振动效果才好。在外部激励作用下，桥梁结构产生振动并带动结构上的调谐质量阻尼器一起振动，当调谐质量阻尼器系统自身的振动频率与桥梁结构的固有频率相近时，TMD系统会提供一个与桥梁结构振动方向相反的惯性力作用在桥梁结构上，使桥梁结构的振动响应逐渐衰减，实现振动能量从桥梁结构向TMD系统的转移，从而对桥梁结构的振动产生控制作用。

目前研究文献和专利多集中在针对TMD的结构性改进，通过调整质量块、弹簧、阻尼这三个单元的参数与受控结构的质量和自振频率的关系来得到最优的减振效率，或者增加电涡流调谐装置增强TMD的减振效果。

例如：中国专利文献CN 202011133603.0“一种便于调节阻尼与振动频率的调谐质量”通过在TMD中设有若干横向的调节弹簧部件，将上部安装板的升降运动转变为横向运动，带动粘滞阻尼器和调节弹簧部件伸缩实现减震。中国专利文献CN 202010005127.8“一种利用杠杆机构的电涡流阻尼装置”,利用永磁体的双侧磁场，以少量永磁体通过放大机构得到所需的阻尼力，降低永磁体安装的难度和风险。中国专利文献CN 201920824998.5 “电涡流调谐质量阻尼器”通过改变永磁体与导体板的正对面积，从而实现连续改变阻尼的效果。当结构发生竖向振动带动质量块竖向振动时，永磁体两侧的导体板做切割磁感应线运动，导体板中产生感应电流(涡流)，继而产生一个阻碍它与永磁体相对运动的惯性力即电磁阻尼，并通过发热消耗振动能量。中国专利文献CN 202011188542.8“一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器”披露的电涡流阻尼系统应用磁场调制原理和负刚度非线性能量阱的概念，通过调磁板加快高速端永磁体的运动速度，提高阻尼器的耗能效率；通过同名永磁体之间排斥力的切向分量可以促进配重块的运动，从而拓宽了减振频带，鲁棒性更好，弥补了传统调谐质量阻尼器失调时减振效果差的问题。