Luận án đề tài:Nghiên cứu giảm dao động cho công trình theo mô hình con lắc ngược chịu tác dụng của ngoại lực

Chia sẻ: Nguyen Thinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

163
lượt xem 56
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong thực tế có nhiều công trình có mô hình ở dạng con lắc ngược như nhà cao tầng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển … cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các công trình này ngày càng lớn về chiều dài và chiều cao. Sự gia tăng về quy mô kết cấu sẽ dẫn đến các đáp ứng động lực phức tạp của kết cấu và sẽ sinh ra các dao động có hại

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án đề tài:Nghiên cứu giảm dao động cho công trình theo mô hình con lắc ngược chịu tác dụng của ngoại lực

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam ViÖn c¬ häc nguyÔn duy chinh nghiªn cøu gi¶m dao ®éng cho c«ng tr×nh theo m« h×nh con l¾c ng−îc chÞu t¸c dông cña ngo¹i lùc luËn ¸n tiÕn sÜ c¬ häc Hµ Néi – 2010
bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam ViÖn c¬ häc nguyÔn duy chinh nghiªn cøu gi¶m dao ®éng cho c«ng tr×nh theo m« h×nh con l¾c ng−îc chÞu t¸c dông cña ngo¹i lùc chuyªn ngµnh: c¬ häc vËt r¾n m· sè: 62.44.21.01 luËn ¸n tiÕn sÜ c¬ häc ng−êi h−íng dÉn khoa häc pgs. Ts. Khæng do·n ®iÒn - ĐẠI HỌC THỦY LỢI ts. KiÒu thÕ ®øc – ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Hµ Néi – 2010
1 L Ờ I CAM Đ OAN T ôi xin cam đ oan đ ây là công trình nghiên c ứ u c ủ a riêng tôi, các s ố l i ệ u, k ế t qu ả n ghi ên c ứ u trong lu ậ n án là trung th ự c và ch ư a t ừ ng đ ượ c ai công b ố t r ong b ấ t k ỳ c ông trình nào khác. T ác gi ả N guy ễ n Duy Chinh
2 MỤC LỤC Lời cam đoan.....................................................................................................1 Mục lục..............................................................................................................2 Danh mục các ký hiệu.......................................................................................5 Mở đầu...............................................................................................................8 Chương 1: Tổng quan về bộ hấp thụ dao động thụ động…………….……13 1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………….…13 1.2 Nguyên lý cơ bản của bộ hấp thụ dao động thụ động………….……...15 1.3 Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ không có cản nhớt…....….17 1.3.1 Hệ chịu kích động điều hoà…………………………………………. 17 1.3.2 Hệ chịu kích động ồn trắng……………………………………….…..22 1.4 Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ có cản nhớt………….…...23 1.5 Một số tiêu chuẩn để xác định bộ hấp thụ dao động thụ động…….......24 1.6 Bộ hấp thụ dao động cho hệ con lắc ngược……………….……...…...26 1.7 Kết luận chương 1…………………………………………….……….30 Chương 2: Phương trình chuyển động của hệ con lắc ngược có lắp đặt hệ thống giảm dao động TMD………..…………………………………..…....31 2.1 Mô hình tính toán của cơ cấu con lắc ngược, có gắn bộ hấp thụ dao động được nghiên cứu trong luận án….………………………………….…...31 2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ con lắc ngược.……….32 2.2.1 Động năng của cơ hệ……………………………………….………….33 2.2.2 Lực suy rộng của cơ hệ……………………………………….………..38 2.2.2.1 Thế năng của cơ hệ …………………………………………….……39 2.2.2.2 Hàm hao tán của cơ hệ …………………………………………...…41 2.2.2.3 Lực hoạt suy rộng của cơ hệ ………………………………….……..41 2.2.3 Phương trình vi phân chuyển động của hệ…………………………….43 2.3 Kết luận chương 2…………………….…………………….…………46
3 Chương 3. Nghiên cứu, phân tích, tính toán, giảm dao động cho các công trình có dạng hệ con lắc ngược…..…………….…………………..…….....47 3.1 Trường hợp chỉ có bộ hấp thụ dao động TMD-D.…………..……..........49 3.1.1 Phương trình vi phân chuyển động của hệ………………...………….49 3.1.2 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật trường hợp chỉ lắp bộ TMD-D………………………….……50 3.1.3 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động TMD-D để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược………………………………….……55 3.2 Trường hợp chỉ lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N………...…….......65 3.2.1 Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N. ……………………………….…………….………….66 3.2.2 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật khi lắp bộ hấp thụ dao động TMD-N……………………..….67 3.2.3 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động TMD-N để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược……………………………….………69 3.3 Trường hợp con lắc ngược có lắp đặt đồng thời cả hai bộ hấp thụ dao động TMD-N và TMD-D……………………………………………….81 3.3.1 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật trường hợp có lắp đặt cả hai bộ TMD…………………….….82 3.3.2 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược………………………………….………………86 3.4 Kết luận chương 3…………………………………………….…..……103 Chương 4: Mở rộng kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ TMD-D và DVA. Tính toán mô phỏng số các các kết quả nghiên cứu giảm dao động cho một số kết cấu công trình………….………...……………..106 4.1 Mở rộng kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ TMD-D và DVA………………………………………………………...…106
4 4.1.1 Mô hình của con lắc ngược có lắp hai bộ hấp thụ dao động TMD-D và DVA……………………………………. ……………………...……….…106 4. 1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ con lắc ngược có lắp đặt bộ DVA và TMD……………………………..……………………………107 4.1.3 Nghiên cứu xác định các thông số của bộ hấp thụ dao động DVA và bộ TMD-D để công trình làm việc ổn định và giảm dao động cho hệ con lắc ngược một cách tối ưu………………………………………….…….….118 4.2 Tính toán mô phỏng số các kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động vào một số kết cấu công trình.………………………..…..……………….……123 4.2.1 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động cho tháp nước…………………………………….………………..123 4.2.2 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động theo phương thẳng đứng của ô tô..………………………...….…...129 4.2.3 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động cho tháp ngoài biển………..……………………………………….132 4.3 Kết luận chương 4………………………...…………………..……….137 Kết luận và kiến nghị …………………….………...………………......…138 Danh mục các công trình đã công bố của tác giả.…………………….……142 Danh mục tài liệu tham khảo……………………………………………….143 Lời cảm ơn……………………………………………………………...…..151 Phụ lục chương trình máy tính : Lập trình vẽ đồ thị trên phần mềm MAPLE để mô phỏng dao động cho hệ ………………...……………………..….…152
5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng (Tuned mass damper) TMD TMD-D Bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng để giảm dao động theo phương thẳng đứng của con lắc ngược TMD-N Bộ hấp thụ thụ động dạng khối lượng để giảm dao động theo phương lắc ngang của con lắc ngược Bộ tắt chấn động lực loại con lắc ( Dynamic vibration absorber) DVA TLD Bộ giảm chấn chất lỏng Khối lượng của bộ TMD m Khối lượng của hệ chính M ωa Tần số riêng của bộ TMD ωopt Giá trị tối ưu của tần số của bộ TMD ζ Tỉ số cản nhớt của bộ TMD ζopt Giá trị tối ưu tỷ số cản nhớt của bộ TMD Ký hiệu kì vọng toán học ... ω Tần số của lực kích động điều hoà Tỷ số của tần số của bộ TMD thụ động và tần số của hệ chính f Tỷ số tối ưu của tần số của bộ TMD thụ động và tần số của hệ fopt chính µ Tỷ số khối lượng của bộ TMD và hệ chính Tỷ số giữa tần số lực tác động và tần số riêng của hệ chính h Tỷ số tối ưu giữa tần số lực tác động và tần số riêng của hệ chính hopt Ma trận chứa các hệ số của lực điều khiển trong phương trình trạng B thái Ma trận cản C Q* Lực hoạt suy rộng của cơ hệ
6 ∏ Thế năng của hệ Động năng của hệ T Φ Hàm hao tán của hệ Tỷ số đánh giá hiệu quả của bộ TMD E Véc tơ lực kích động F Gia tốc trọng trường g Hệ số cứng lò xo của hệ chính k2 Hệ số cứng lò xo của bộ TMD k1 Hệ số cứng tối ưu của bộ TMD kopt Ma trận độ cứng K M* Ma trận khối lượng Ω Tần số dao động riêng của hệ chính Tỷ số đánh giá hiệu quả tối ưu của bộ TMD Eopt Hệ số cản nhớt tối ưu của bộ TMD copt P(λ) Đa thức đặc trưng λ Nghiệm của đa thức đặc trưng Re ( λ ) Phần thực của nghiệm đa thức đặc trưng Im ( λ ) Phần ảo của nghiệm đa thức đặc trưng µu1 Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động TMD-N và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động thẳng. µϕ1 Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động TMD-N và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động quay. γ1 Hệ số biểu thị vị trí lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N. ωd1 Tần số dao động riêng của bộ hấp thụ dao động TMD-N. ξ1 Tỉ số cản nhớt của bộ hấp thụ dao động TMD-N. µu2 Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động TMD-D và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động thẳng.
7 µϕ2 Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động TMD-D và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động quay. γ2 Hệ số biểu thị vị trí lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-D. ωd2 Tần số dao động riêng của bộ hấp thụ dao động TMD-D. ξ2 Tỉ số cản nhớt của bộ hấp thụ dao động TMD-D. ωϕ Tần số dao động riêng của con lắc ngược theo phương ngang. ωu Tần số dao động riêng của con lắc ngược theo phương thẳng đứng. αd1 Tỉ số của tần số của bộ TMD-N và tần số lắc ngang của con lắc ngược αd 2 Tỉ số của tần số của bộ TMD-D và tần số lắc ngang của con lắc ngược. αu Tỉ số giữa tần số dao động thẳng đứng và tần số lắc ngang của con lắc ngược γ1opt Hệ số tối ưu biểu thị vị trí lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N. γ2opt Hệ số tối ưu biểu thị vị trí lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-D. ξ1opt Tỉ số tối ưu cản nhớt của bộ hấp thụ dao động TMD-N. ξ2opt Tỉ số tối ưu cản nhớt của bộ hấp thụ dao động TMD-D. αd1opt Tỉ số tối ưu giữa tần số của bộ TMD-N và tần số lắc ngang của con lắc ngược αd 2opt Tỉ số tối ưu giữa tần số của bộ TMD-D và tần số lắc ngang của con lắc ngược µu1A Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động DVA và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động thẳng. ωd1A : Tần số dao động riêng của bộ hấp thụ dao động DVA. ξ1A : Tỉ số cản nhớt của bộ hấp thụ dao động DVA. µ: Tỉ số khối lượng của bộ hấp thụ dao động DVA và con lắc ngược đặc trưng cho chuyển động quay. γ: Hệ số biểu thị vị trí lắp đặt bộ hấp thụ dao động DVA. α d 1optA : Tỉ số tối ưu giữa tần số của bộ DVA và tần số lắc ngang của con lắc ngược. ξ1optA : Tỉ số tối ưu cản nhớt của bộ hấp thụ dao động DVA.
8 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Trong thực tế có nhiều công trình có mô hình ở dạng con lắc ngược như nhà cao tầng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển … cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các công trình này ngày càng lớn về chiều dài và chiều cao. Sự gia tăng về quy mô kết cấu sẽ dẫn đến các đáp ứng động lực phức tạp của kết cấu và sẽ sinh ra các dao động có hại. Vì vậy, nghiên cứu giảm dao động có hại cho cơ cấu con lắc ngược là bài toán đang được rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Một hướng nghiên cứu mang tích thời sự, cấp thiết và quan trọng ở Việt Nam hiện nay là nghiên cứu để giảm dao động cho các công trình biển có dạng con lắc ngược DKI. Bắt đầu từ năm 1989, theo Chương trình Biển Đông - Hải Đảo của Nhà nước đã tiến hành xây dựng các công trình biển dạng DKI. Các công trình này đã và đang góp phần vào xây dựng, bảo vệ đất nước và khai thác tiềm năng vô cùng to lớn của biển. Qua nghiên cứu trong [8], [17], [18] cho thấy đáp ứng gây ra dao động có hại cho công trình DKI bao gồm hai loại chính là đáp ứng ngang và thẳng đứng liên quan đến hiện tượng lắc ngang và nhổ cọc. Dao động của công trình DKI bao gồm hai loại dao động: Dao động rung lắc có tần số là các tần số riêng của công trình và dao động cưỡng bức gây ra bởi tải trọng sóng, trong đó dao động rung lắc đặc biệt có hại với độ bền và tuổi thọ của công trình. Các dao động rung lắc có tần số cao hơn nhiều lần tần số của sóng biển là một trong các dao động có hại không mong muốn cần được hạn chế. Để giảm dao động rung lắc cho công trình DKI theo đề xuất của các nhà khoa học Nguyễn Đông Anh và cộng sự (vcs) [8], Nguyễn Hoa Thịnh vcs [17, 18] có thể lắp vào công trình DKI hai bộ TMD để tiêu tán năng lượng cho hệ. Một bộ TMD được đặt theo hướng tác
9 động của sóng biển để giảm dao động lắc ngang. Một bộ TMD khác được đặt theo hướng thẳng đứng để giảm dao động thẳng đứng và chống nhổ cọc. Các công trình dạng con lắc ngược DKI có vị trí chiến lược quan trọng trong sự phát triển, khai thác tiềm năng biển, tăng cường khả năng quốc phòng, góp phần vào ổn định chính trị của đất nước. Việc tiếp tục nghiên cứu áp dụng các bộ hấp thụ dao động để giảm dao động cho các công trình DKI nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các công trình DKI là vấn đề đã và đang được Bộ Quốc phòng và các nhà khoa học trong nước đang quan tâm nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Như đã phân tích ở trên: Dao động rung lắc đặc biệt có hại với độ bền và tuổi thọ của công trình có dạng con lắc ngược. Các dao động rung lắc có tần số cao hơn nhiều lần tần số của sóng biển là một trong các dao động có hại không mong muốn cần được hạn chế. Bởi vậy mục đích của luận án là nghiên cứu giảm dao động rung lắc cho các công trình có dạng con lắc ngược. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án * Đối tượng nghiên cứu của luận án Trong [2], [3], [5],[12], [51] đã nghiên cứu dao động của con lắc ngược có lắp bộ hấp thụ dao động. Tuy nhiên các nghiên cứu đó mới chỉ xét đến dao động lắc ngang của con lắc ngược. Nhưng trong thực tế nhiều công trình có dạng con lắc ngược, ngoài thành phần dao động lắc ngang nó còn dao động theo phương thẳng đứng. Vì vậy đối tượng nghiên cứu của luận án là các bộ hấp thụ dao động thụ động TMD cho các công trình dạng con lắc ngược có xét đến cả dao động thẳng đứng và lắc ngang.
10 * Phạm vi nghiên cứu của luận án Để xác định các thông số tối ưu của hệ thống giảm dao động TMD, ta có nhiều phương pháp khác nhau như: Phương pháp điểm cố định, phương pháp cực tiểu mô men bậc hai, phương pháp cực tiểu sai số bình phương, … và ứng với mỗi phương pháp khác nhau ta lại tìm được các thông số tối ưu khác nhau của các bộ hấp thụ dao động. Việc áp dụng phương pháp nào để tìm các thông số tối ưu, hoàn toàn phụ thuộc vào đáp ứng dao động của kết cấu mà yêu cầu của thực tiễn kỹ thuật cần giảm dao động. Trong luận án này, tác giả tìm các thông số tối ưu của các bộ hấp thụ dao động TMD với mục đích là giảm dao động rung lắc của các công trình có dạng con lắc ngược nên phạm vi nghiên cứu của luận án là tính toán các thông số tối ưu của các bộ hấp thụ dao động TMD để tăng các đặc trưng cản lớn nhất của hệ từ đó giảm được thành phần dao động rung lắc của hệ con lắc ngược một cách tốt nhất. 4. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở các công trình có dạng con lắc ngược có trong thực tế, tác giả chuyển về mô hình lí thuyết của cơ cấu con lắc ngược có lắp đặt hệ thống giảm dao động TMD. Từ mô hình tính toán của hệ con lắc ngược có lắp đặt hệ thống giảm dao động, tác giả sử dụng phương trình Lagrăng loại II để thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ. Trên cơ sở phương trình chuyển động của con lắc ngược thu được, tác giả tiến hành nghiên cứu, phân tích, tính toán để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược theo lí thuyết điều khiển chuyển động, tìm nghiệm giải tích của hệ. Với mục tiêu là nghiên cứu, tính toán bộ hấp thụ dao động tối ưu để giảm thành phần dao động rung lắc cho cơ hệ, tác giả đã áp dụng phương pháp cân bằng cực theo các tài liệu [20], [47], [49], [51], [71] đây là phương pháp tìm các thông số tối ưu của các bộ TMD để tăng các đặc trưng cản lớn nhất cho cơ hệ, từ đó giảm được thành
11 phần dao động rung lắc cho hệ một cách tốt nhất. Để kiểm chứng tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu, tác giả đã so sánh các kết quả thu được trong trường hợp đơn giản hơn của luận án với kết quả đã được công bố của các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra kết quả trước đây. Để đánh giá hiệu quả giảm dao động của các kết quả nghiên cứu của luận án, do điều kiện về thời gian và kinh phí, không thể nghiên cứu thực nghiệm vào các công trình có trong thực tế, nên luận án xây dựng chương trình máy tính trên phần mềm MAPLE để mô phỏng dao động của cả hệ để người đọc có cái nhìn trực quan về hiệu quả của bộ hấp thụ dao động. Đây là phần mềm được các nhà khoa học trên thế giới chuyên dùng và cho kết quả tin cậy. 5. Những đóng góp mới của luận án a. Thiết lập được phương trình vi phân chuyển động của hệ con lắc ngược có lắp đồng thời hai bộ hấp thụ dao động TMD-D và TMD-N để giảm dao động theo phương thẳng đứng và ngang của hệ con lắc ngược. b. Tính toán tìm được các thông số của các bộ hấp thụ dao động TMD-D và TMD-N để công trình có dạng con lắc ngược làm việc ổn định theo tiêu chuẩn của kỹ thuật. c. Nghiên cứu phân tích, tính toán tìm được các tham số tối ưu của các bộ hấp thụ dao động TMD-D và TMD-N để giảm dao động rung lắc theo phương thẳng đứng và ngang của hệ con lắc ngược. d. Mở rộng các kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ hấp thụ dao động TMD-D và TMD-N cho trường hợp có lắp đặt hệ thống giảm dao động TMD-D và DVA. Đã tìm được các tham số tối ưu của hệ thống giảm dao động TMD-D và DVA để giảm dao động rung lắc cho hệ con lắc ngược.
12 e. Đã áp dụng các kết quả nghiên cứu, tính toán các thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động để giảm dao động cho tháp nước, dao động thẳng đứng của ô tô, tháp ngoài biển, thì thấy biên độ dao động của các cơ cấu này giảm rất nhiều theo thời gian so với trường hợp không lắp đặt bộ hấp thụ dao động. Điều này đáp ứng được yêu cầu giảm dao động của kỹ thuật đặt ra. Các nghiên cứu lý thuyết này đã được tác giả kiểm chứng trên những ví dụ cụ thể bằng phần mềm chuyên dụng MAPLE và cho kết quả tin cậy. Sự đúng đắn của kết quả nghiên cứu còn được kiểm chứng khi so sánh các kết quả thu được trong trường hợp đơn giản hơn với kết quả đã được công bố của các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra kết quả trước đây. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận với 150 trang, 33 hình vẽ và đồ thị. Chương 1 trình bày tổng quan các nghiên cứu về bộ hấp thụ dao động thụ động. Chương 2, 3 giải quyết bài toán tính giảm dao động cho cơ cấu có dạng con lắc ngược có lắp các bộ hấp thụ dao động TMD-D và TMD-N. Chương 4 mở rộng kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ TMD-D và DVA. Tính toán mô phỏng số các các kết quả nghiên cứu giảm dao động cho một số kết cấu công trình. Các kết quả chính của luận án được tóm tắt trong phần kết luận. Phần phụ lục là chương trình máy tính, xây dựng trong phần mềm MAPLE để phục vụ cho việc nghiên cứu của luận án.
13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÒ BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG THỤ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Trong phương pháp hấp thụ thụ động, bộ hấp thụ dao động thụ động được gắn thêm vào hệ máy hay kết cấu. Mục đích của việc sử dụng bộ hấp thụ dao động thụ động là để hấp thụ một phần năng lượng của hệ chính. Ưu điểm của phương pháp là không cần năng lượng sinh ra bởi bộ tạo nguồn lực nên đơn giản cho công tác duy tu, bảo dưỡng. Sự hấp thụ được thực hiện bằng cách truyền một phần năng lượng dao động có hại từ hệ chính tới bộ hấp thụ dao động thụ động. Bộ hấp thụ dao động thụ động dạng khối lượng gọi tắt là TMD (tuned mass damper) có thể mô tả như là một khối lượng được gắn với hệ chính thông qua lò xo và giảm chấn dạng cản nhớt. Sơ đồ kết nối giữa bộ hấp thụ dao động thụ động và hệ dao động chính được biểu diễn trên hình 1.1. F1 (TMD) m x1 k1 F2 c1 M x2 k2 c2 Hình 1.1. Bộ hấp thụ dao động và hệ chính Việc ứng dụng bộ hấp thụ dao động thụ động được nghiên cứu lần đầu tiên bởi Frahm vào năm 1909 [32]. Trong đó bộ hấp thụ dao động thụ động có khối lượng m và lò so với độ cứng k1. Hệ chính là vật M được gắn với nền
14 bằng lò so có độ cứng k2. Khi cả hai hệ đều không chứa lực cản, dưới tác dụng của kích động điều hòa, hệ dao động chính M có thể đứng yên không k1 chuyển động nếu tần số riêng của bộ hấp thụ dao động thụ động, ωa = , m được chọn bằng tần số của lực kích động. Lý thuyết về bộ hấp thụ dao động thụ động có cản nhớt được Den Hartog (1947), [28] phát triển cho các trường hợp hệ chính có cản nhớt. Ông đã đưa ra phương pháp tính toán thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động thụ động. Sau đó, việc nghiên cứu bộ hấp thụ dao động thụ động cho các hệ chính có cản nhớt được tiếp tục bởi Bishop và Welbourn [23]. Trong nhiều trường hợp, việc xác định các thông số tối ưu dưới dạng giải tích cho bộ hấp thụ dao động thụ động đối với các hệ có cản nhớt là không thể thực hiện được. Do vậy phương pháp số đã được nhiều tác giả nghiên cứu để giải quyết các bài toán này: - Jennige và Frohrib (1977), [42] đã dùng phương pháp số để đánh giá bộ hấp thụ dao động thụ động dạng quay cho những cơ hệ chịu uốn và xoắn. - Ioi và Ikeda (1978), [40] đưa ra các công thức kinh nghiệm để tính toán các thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động thụ động cho những hệ chính có hệ số cản nhớt nhỏ. - Randall et al. (1981), [59] đã đưa ra các đồ thị phụ thuộc theo tham số cho các thông số tối ưu khi hệ chính có cản nhớt. - Warbuton và Ayorinde (1981), [69] cũng đưa ra phương pháp tính các thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động thụ động để giảm biên độ dao động cho hệ chính với một số thông số cho trước.
15 1.2 Nguyên lý cơ bản của bộ hấp thụ dao động thụ động Hình 1.1 mô tả hệ dao động một bậc tự do có khối lượng M chịu kích động bởi lực F2(t). Để giảm đáp ứng dao động của hệ chính ta gắn vào hệ dao động một bộ hấp thụ dao động thụ động khối lượng m. Phương trình chuyển động của cơ hệ được mô tả bởi: && & M * X(t ) + CX(t ) + KX(t ) = F (t ) (1.1) Ở đây X(t) là véctơ dịch chuyển tương đối của các vật so với nền. M*, C, K tương ứng là các ma trận khối lượng, cản nhớt và độ cứng: X(t ) = ( x2 (t ), x1 (t ))T , F(t ) = ( F2 (t ), F1 (t ))T ⎡c + c −c1 ⎤ ⎡ k1 + k 2 − k1 ⎤ ⎡M 0⎤ C=⎢ 1 2 M* = ⎢ ⎥, K =⎢ , (1.2) m⎥ k1 ⎥ ⎣ −c1 c1 ⎦ ⎣ − k1 ⎣0 ⎦ ⎦ Nhân x 2 vào hai vế của phương trình (1.1) và lấy trung bình, ta có: & ⎧M &&2 x2 + ( c2 + c1 ) x2 + ( k2 + k1 ) x2 x2 = F2 (t)x2 + c1 x1 x2 + k1 x1 x2 &2 ⎪ x& & & && & ⎨ (1.3) ⎪m &&1 x2 − c1 x2 + c1 x1 x2 − k1 x2 x2 + k1 x1 x2 = F (t)x2 &2 ⎩x & && & & & 1 ở đây là kỳ vọng toán học cho trường hợp hệ chịu kích động ngẫu nhiên hay giá trị trung bình cho trường hợp kích động điều hoà. Từ < x 2 (t )x 2 (t ) >= 0 , < && 2 (t )x 2 (t ) >= 0 và cộng 2 phương trình trên lại, ta có & & x phương trình cân bằng năng lượng đơn giản: c2 < x2 >=< [ F2 (t ) + F1 (t ) ] x2 > − m &&1 x2 &2 x& & (1.4) trong đó, c 2 < x 2 > là năng lượng tiêu hao do tác dụng của lực cản. &2 - < [F2 ( t ) + F1 ( t )]x 2 > là năng lượng do kích động từ bên ngoài & -
16 - Phần năng lượng bằng [ m < &&1x2 > ] được truyền từ hệ chính sang x& khối lượng lắp thêm m. Đó chính là nguyên lý hoạt động của bộ hấp thụ dao động thụ động. Trong trường hợp dấu của [ m < &&1x2 > ] dương, bộ hấp thụ dao động thụ động đã hấp x& thụ một phần năng lượng của dao động. Nếu năng lượng truyền từ hệ chính sang bộ hấp thụ dao động thụ động càng lớn thì dao động của hệ chính sẽ càng nhỏ. Trường hợp dấu của [ m < &&1x 2 > ] âm, lúc này hệ phụ sẽ truyền x& năng lượng cho hệ chính, hệ chính sẽ dao động mạnh thêm. Như vậy trong quá trình dao động luôn có sự trao đổi năng lượng giữa hệ chính và hệ phụ. Bộ hấp thụ dao động thụ động sẽ đạt hiệu quả tốt khi dao động của bộ hấp thụ lệch pha 90o so với dao động của hệ chính. Lúc này, gia tốc của bộ hấp thụ dao động thụ động cùng chiều với vận tốc của hệ chính. Khi bộ hấp thụ dao động làm việc có hiệu quả, nó làm tăng hệ số cản của hệ chính theo công thức (1.5) < &&1x 2 > x& c 2 eq = c 2 + m (1.5) < x2 > &2 Tương tù nhân x 2 vào hai vế của phương trình (1.1) và lấy trung bình, ta có: ⎧M &&2 x2 + ( c2 + c1 ) x2 x2 + ( k2 + k1 ) x2 = F2 (t)x2 + c1 x1x2 + k1 x1x2 2 ⎪x & & ⎨ (1.6) ⎪m &&1x2 − c1 x2 x2 + c1 x1x2 − k1 x2 + k1 x1x2 = F (t)x2 2 ⎩x & & 1 Từ < x 2 (t )x 2 (t ) >= 0 , < && 2 (t )x 2 (t ) >= 0 và cộng 2 phương trình trên lại, ta có & & x phương trình : m &&1x2 + k2 x2 = [ F2 (t) + F (t)] x2 − M &&2 x2 2 (1.7) x x 1 Vậy độ cứng tương đương của hệ chính được xác định theo công thức:
17 &&1x2 x k2eq = k2 + m (1.8) 2 x2 Ta có thể sử dụng hình 1.2 thay cho hình 1.1 với k2eq và c2eq là độ cứng và hệ số cản của hệ chính tương đương. F1 + F2 M+m x2 k2eq c2eq Hình 1.2: Sơ đồ của hệ chính tương đương 1.3 Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ không có cản nhớt 1.3.1 Hệ chịu kích động điều hoà Việc sử dụng bộ hấp thụ dao động thụ động có cản đã được Den Hartog [28] nghiên cứu cho trường hợp đơn giản khi hệ chính không có cản nhớt và chịu kích động của lực điều hòa F2 (t ) = Po sin ωt . Trong ví dụ này, hiệu quả của bộ hấp thụ dao động thụ động được tính thông qua hệ số E là tỷ số giữa P0 biên độ dao động và chuyển vị tĩnh x 2 st = k2 (f 2 − h 2 ) 2 + (2ζfh ) 2 x E = 2 max = (1.9) 2 x 2st ⎡ ( f 2 − h 2 )(1 − h 2 ) − f 2 h 2µ ⎤ + (2ζ fh ) 2 (1 − h 2 − h 2µ ) 2 ⎣ ⎦ ë đây ωa f= : TØ sè gi÷a tÇn sè riªng cña bé hÊp thô dao ®éng vµ hÖ chÝnh. Ω ω h= : TØ sè gi÷a tÇn sè lùc kÝch ®éng vµ tÇn sè riªng cña hÖ chÝnh. Ω
18 k2 m k1 , Ω= , µ= ωa = , M M m c ζ= là tû số cản nhớt của bộ hấp thụ dao động thụ động. 2mωa Hệ số biên độ E là một hàm của 4 tham số µ, ζ, f , h , đồ thị của E theo biến h trong trường hợp f = 1.0 , µ = 0,05 và các giá trị khác nhau của ζ được biểu thị trên hình 1.3. Chúng ta hãy quan sát sự thay đổi của E khi tăng dần cản nhớt của bộ hấp thụ dao động thụ động. h Hình 1.3: HÖ sè E theo biÕn h víi µ = 0,05 , f = 1.0 Từ đồ thị trên hình 1.3 chúng ta có thể thấy rằng nếu bộ hấp thụ dao động thụ động không có cản nhớt, hệ số E tăng đến vô hạn tại tần số cộng hưởng của hệ chính và tần số cộng hưởng của bộ hấp thụ dao động thụ động. Khi cản nhớt của bộ hấp thụ dao động thụ động đạt tới vô hạn, hệ chính và bộ hấp thụ dao động thụ động coi như gắn cứng với nhau và trở thành hệ một bậc tự do với khối lượng bằng tổng của hai khối lượng và vì vậy, hệ lại dao động ở chế