Настроенный массовый демпфер - Tuned mass damper

Песню музыкального исполнителя Эль-П см. Фантастический урон.
Настроенный демпфер массы наверху Тайбэй 101

А настроенный массовый демпфер (TMD), также известный как поглотитель гармоник или же сейсмический демпфер, представляет собой устройство, устанавливаемое в конструкции для уменьшения амплитуды механических вибрации, состоящий из массы, установленной на одном или нескольких затухающий пружины. Частота колебаний массы настроена так, чтобы быть похожей на резонансная частота объекта, к которому они прикреплены. Демпферы настроенной массы используются для уменьшения максимальной амплитуды объекта, при этом вес намного меньше его.

Их применение может предотвратить дискомфорт, повреждение или сразу структурный отказ. Они часто используются в передаче энергии, автомобилях и зданиях.

Принцип

Схема простой системы пружина-масса-демпфер, используемая для демонстрации настроенной системы демпфирования массы.

Настроенные демпферы массы стабилизируют насильственное движение, вызванное гармоническая вибрация. Настроенный демпфер снижает вибрацию системы с помощью сравнительно легкого компонента, поэтому вибрации в худшем случае становятся менее интенсивными. Грубо говоря, практические системы настроены либо на отвод основной моды от тревожной частоты возбуждения, либо на добавление демпфирования к резонансу, который сложно или дорого гасить напрямую. Примером последнего является гаситель крутильных колебаний коленчатого вала. Массовые демпферы часто реализуются с фрикционным или гидравлическим компонентом, который превращает механическую кинетическую энергию в тепло, как в автомобиле амортизатор.

Учитывая мотор с массой м1 прикрепленный через опоры двигателя к земле, двигатель при работе вибрирует, а мягкие опоры двигателя действуют как параллельная пружина и демпфер, k1 и c1. Усилие на опорах двигателя составляет F0. Чтобы уменьшить максимальное усилие на опорах двигателя, поскольку двигатель работает в диапазоне скоростей, меньшая масса, м2, подключен к м1 пружиной и демпфером, k2 и c2. F1 эффективная сила, действующая на двигатель в результате его работы.

Отклик системы, возбужденной одной единицей силы, с (красный) и без (синий) настроенная масса 10%. Пиковая характеристика снижена с 9 до 5,5 единиц. Хотя максимальная сила отклика снижается, существуют некоторые рабочие частоты, для которых сила отклика увеличивается.

На графике показано влияние настроенного демпфера массы на простую систему пружина-масса-демпфер, возбуждаемая вибрациями с амплитудой в одну единицу силы, приложенной к основной массе, м1. Важным показателем производительности является отношение силы, действующей на опоры двигателя, к силе, вызывающей вибрацию двигателя. F0/F1. Это предполагает, что система является линейной, поэтому, если сила на двигателе удвоится, то же самое произойдет и на опорах двигателя. Синяя линия представляет базовую систему с максимальным откликом 9 единиц силы при примерно 9 единицах частоты. Красная линия показывает эффект добавления настроенной массы в размере 10% от базовой массы. Он имеет максимальный отклик 5,5 при частоте 7. В качестве побочного эффекта он также имеет второй нормальный режим и будет вибрировать несколько больше, чем базовая система, на частотах ниже примерно 6 и выше примерно 10.

Высоту двух выступов можно регулировать, изменяя жесткость пружины настроенного демпфера. Изменение демпфирования также изменяет сложным образом высоту пиков. Расстояние между двумя пиками можно изменить, изменив массу демпфера (м2).

А Сюжет Боде перемещений в системе с (красный) и без (синий) настроенная масса 10%.

В Сюжет Боде является более сложным, показывая фазу и величину движения каждой массы для двух случаев относительно F1.

На графиках справа черная линия показывает базовый ответ (м2 = 0). Теперь учитывая м2 = м1/10, синяя линия показывает движение демпфирующей массы, а красная линия показывает движение первичной массы. График амплитуды показывает, что на низких частотах демпфирующая масса резонирует намного больше, чем основная масса. Фазовый график показывает, что на низких частотах две массы находятся в фазе. По мере увеличения частоты м2 движется не в фазе с м1 пока на частоте около 9,5 Гц он не сдвинется на 180 ° по фазе с м1, максимизируя эффект демпфирования, максимизируя амплитуду Икс2 − Икс1, это максимизирует энергию, рассеиваемую в c2 и одновременно притягивает первичную массу в том же направлении, что и двигатель.

Массовые демпферы в автомобилях

Автоспорт

Настроенный массовый демпфер был представлен как часть системы подвески Renault на своем автомобиле F1 2005 г. Renault R25 ), на 2005 Гран-при Бразилии. Система была изобретена доктором Робином Тулуи, и, как сообщается, она сократила время круга на 0,3 секунды: феноменальный выигрыш для относительно простого устройства.[1] Это было сочтено незаконным, потому что масса не была жестко прикреплена к шасси и из-за влияния, которое она оказывала на угол наклона автомобиля, что, в свою очередь, значительно повлияло на зазор под автомобилем и, следовательно, наземные эффекты автомобиля, чтобы быть подвижным аэродинамическим устройством и, следовательно, незаконно влияющим на производительность аэродинамика.

Стюарды встречи сочли это законным, но FIA обжаловала это решение. Две недели спустя Международный апелляционный суд FIA признал массовый демпфер незаконным.[2][3]

Серийные автомобили

Настроенные массовые амортизаторы широко используются в серийных автомобилях, обычно на коленчатый вал шкив для управления крутильные колебания реже - режимы изгиба коленчатого вала. Они также используются на трансмиссии для взбивания передач и в других местах для устранения других шумов или вибраций в выхлопе, кузове, подвеске или где-либо еще. Почти все современные автомобили будут иметь один массовый демпфер, а у некоторых их может быть десять и более.

Обычная конструкция демпфера на коленчатом валу состоит из тонкой резины между ступицей шкива и внешним ободом. Это устройство, которое часто называют демпфер гармоник, расположен на другом конце коленчатого вала, противоположном тому месту, где маховик а трансмиссия есть. Альтернативный дизайн - это центробежный маятниковый поглотитель который используется для уменьшения двигатель внутреннего сгорания крутильные колебания на некоторых современных автомобилях.

Все четыре колеса Citroën 2CV включал настроенный массовый демпфер (называемый «Batteur» на оригинальном французском языке) конструкции, очень похожей на тот, что использовался в автомобиле Renault F1, с начала производства в 1949 году на всех четырех колесах, прежде чем он был удален с задней и в итоге передние колеса в середине 1970-х.

Массовые демпферы в космических аппаратах

Одно предложение по снижению вибрации на НАСА Арес Твердотопливный ускоритель должен был использовать 16 настроенных демпферов массы как часть стратегии проектирования по снижению пиковых нагрузок с 6грамм до 0,25грамм, TMD ответственны за сокращение с 1грамм до 0,25грамм, остальное делается обычным виброизоляторы между верхними ступенями и бустером.[4][5]

Спин-стабилизированные спутники имеют нутация развитие на определенных частотах. Вихревой ток Демпферы нутации установлены на спутниках со стабилизированным вращением, чтобы уменьшить и стабилизировать нутацию.

Демпферы в ЛЭП

Маленькие черные объекты, прикрепленные к кабелям, Амортизаторы Stockbridge на этой ЛЭП 400 кВ около Замок Комб, Англия

Линии высокого напряжения часто бывают маленькие штанга -образный Амортизаторы Stockbridge висит на провода для уменьшения высокочастотных колебаний с низкой амплитудой, называемых трепетать.[6][7]

Демпферы в ветряных турбинах

Стандартный демпфер настроенной массы для ветряных турбин состоит из вспомогательной массы, которая прикреплена к основной конструкции с помощью пружин и элементов демпфера. Собственная частота настроенного демпфера в основном определяется его жесткостью пружины и коэффициентом демпфирования, определяемым демпфером. Настроенный параметр настроенного демпфера массы позволяет вспомогательной массе колебаться со сдвигом фазы относительно движения конструкции. В типичной конфигурации вспомогательная масса висела под гондолой ветряной турбины, поддерживаемой амортизаторами или фрикционными пластинами.

Демпферы в зданиях и родственных конструкциях

Расположение самого большого настраиваемого демпфера Taipei 101

Обычно демпферы огромные бетонные блоки или стальные тела, установленные в небоскребы или других структур, и переехал в оппозицию резонансная частота колебания конструкции с помощью пружины, жидкость или маятники.

Источники вибрации и резонанса

Нежелательная вибрация может быть вызвана силами окружающей среды, действующими на конструкцию, такими как ветер или землетрясение, или внешне безобидным источником вибрации, вызывающим резонанс, который может быть разрушительным, неприятным или просто неудобным.

Землетрясения

В сейсмические волны вызвано землетрясение заставит здания раскачиваться и колебаться различными способами в зависимости от частоты и направления движения грунта, а также высоты и конструкции здания. Сейсмическая активность может вызвать чрезмерные колебания здания, что может привести к структурный отказ. Для улучшения здания сейсмические характеристики, выполняется надлежащее проектирование здания с учетом различных сейсмических контроль вибрации Как упоминалось выше, демпфирующие устройства использовались в авиационной и автомобильной промышленности задолго до того, как они стали стандартом для снижения сейсмических повреждений зданий. Фактически, первые специализированные демпфирующие устройства для землетрясений не были разработаны до конца 1950 года.[8]

Механические человеческие источники

Демпферы на Мост Миллениум В Лондоне. Белый диск не является частью демпфера.

Массы людей, идущих вверх и вниз по лестнице одновременно, или большое количество людей, топающих в унисон, могут вызвать серьезные проблемы в больших сооружениях, таких как стадионы, если в этих сооружениях отсутствуют меры по демпфированию.

Ветер

Сила ветра, направленная против высоких зданий, может заставить верхнюю часть небоскребов сдвинуться более чем на метр. Это движение может иметь форму покачивания или скручивания, а также может вызывать движение верхних этажей таких зданий. Определенные углы ветра и аэродинамический свойства здания могут подчеркивать движение и вызывать морская болезнь в людях. TMD обычно настраивается на частоту определенного здания для эффективной работы. Однако в течение срока службы высотные и тонкие здания могут испытывать изменения собственной частоты под действием скорости ветра, колебаний температуры окружающей среды и относительной влажности, среди других факторов, что требует надежной конструкции TMD.[9]

Примеры зданий и сооружений с настроенными демпферами массы

Канада

Китай

Германия

  • Берлин Телебашня (Fernsehturm ) - настроенный массовый демпфер, расположенный в шпиле.
  • Передатчик СНЧ DHO38 - цилиндрические емкости с гранулятом в конструкции мачты

Индия

Иран

Ирландия

Япония

Россия

Тайвань

  • Тайбэй 101 небоскреб - содержит самые большие и самые тяжелые в мире настроенные демпферы массой 660 метрических тонн (730 коротких тонн).[13]

Объединенные Арабские Эмираты

объединенное Королевство

Соединенные Штаты Америки

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Как Renault выиграла чемпионат мира, создав настроенный глушитель массы». Moregoodink.com. Получено 2019-02-08.
  2. ^ Епископ, Мэтт (2006). «Длинное интервью: Флавио Бриаторе». F1 гонки (Октябрь): 66–76.
  3. ^ «FIA запрещает спорную систему амортизаторов». Pitpass.com. Получено 2010-02-07.
  4. ^ «Встречи Ares I Thrust Oscillation завершаются обнадеживающими данными и изменениями». NASASpaceFlight.com. 2008-12-09. Получено 2010-02-07.
  5. ^ «План амортизатора для новой ракеты НАСА». SPACE.com. 2008-08-19. Получено 2010-02-07.
  6. ^ «О гистерезисе тросов в амортизаторах Стокбриджа». Cat.inist.fr. Получено 2010-02-07.
  7. ^ «Кабельные зажимы - 27 октября 2007 г.». Новый ученый. Архивировано из оригинал 5 мая 2008 г.. Получено 2010-02-07.
  8. ^ Райтерман, Роберт (2012). Землетрясения и инженеры: международная история. Рестон, Вирджиния: ASCE Press. ISBN  9780784410714. Архивировано из оригинал на 2012-07-26.
  9. ^ Али, Али Мусаад (2012). «Предлагаемый прочный настроенный демпфер массы для смягчения реакции в зданиях, подверженных разнонаправленному ветру». Конструктивное проектирование высотных и специальных зданий. 23 (9): 664–691. Дои:10.1002 / тал.1068.
  10. ^ ЛЕНТНАЯ ЧАСОВНЯ на Vimeo
  11. ^ Накамура, Хироши (4 февраля 2015 г.). «Ленточная часовня / Хироши Накамура и архитекторы NAP». ArchDaily. Получено 2017-02-15.
  12. ^ Септиму-Джордж Лука; Кристан Пастия; Флорентина Чира (2007). «Недавнее применение некоторых активных систем управления в строительных конструкциях» (PDF). Вестник Ясского политехнического института: 25. ISSN  2537-2726.
  13. ^ taipei-101.com.tw
  14. ^ Стюарт, Аарон. «Подробнее> 432 Park Avenue». Газета архитектора. Получено 31 января 2016.
  15. ^ Петроски, Генри (1996). Изобретения по дизайну: как инженеры переходят от мысли к делу. Издательство Гарвардского университета. стр.205–208.
  16. ^ «Комкаст Центр» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 17 февраля 2012 г.. Получено 2010-02-07.
  17. ^ Боб Фернандес (10 декабря 2014 г.). «Инженеры на подъеме: четыре молодых специалиста берутся за карьерный проект». philly.com. Сеть СМИ Филадельфии (Диджитал), ООО. В архиве с оригинала 22 ноября 2017 г.. Получено 3 декабря, 2017.
  18. ^ Персонал (август 2011 г.) "One Madison Park, Нью-Йорк" Совет по высотным зданиям и городской среде обитания интернет сайт. В архиве 28 января 2018 г. Wayback Machine.

внешняя ссылка