隔振原理

目录题目要求：简要叙述隔振原理，力的传递和隔振，基底振动的隔离；关于隔振算例的编程并附上编程解释；以算例做样本，简单介绍GUI控件的应用。第一节简述隔振的原理1.1隔振的含义1.2建筑结构抗震设计的方法1.3隔振原理及系统组成1.3.1隔振原理1.3.2隔振系统的组成第二节工程中的隔振(震)2.1力的传递和隔振2.2基底隔振2.3算例第三节算例的编程3.1GUI控件介绍3.2matlab操作步骤3.3编程程序的简要讲述第四节结束语第一节简述隔振的原理1.1隔振的含义人们常说的“隔振”可以统称为减震。简单的说，抗震以“抗”为主，以“刚”为主，要提高整体刚变，要刚度均匀，避免若层。减震以“放”为主，以柔为主，改变结构刚度，设置耗能、吸能装置。其中结构减震的理论和方法比较先进，减震设计无规范可循，需要开发。1.2建筑结构抗震设计的方法目前世界各国普遍采用的抗震设计方法都是既考虑强度，又考虑变形能力和能量耗散能力。在进行结构抗震设计时，适当控制结构的强度和刚度，使结构在大地震作用下进入非弹性状态时具有较好的延性，以便耗散输入结构的地震能量。这种抗震设计方法在很多情况下都是有效的。与其靠结构本身的强度、变形能力和能量耗散能力来抗御水平地震作用，不如人为地在结构中布置一些耗能装置，但这类耗能装置只能在结构能产生大变形时才有效。为适应这种需要，基地隔振方法应运而生。建筑物基地隔振是结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开。目前采用的底部隔振主要用于隔离水平向的地面运动。隔振层的水平刚度显著低于上部结构的侧向刚度才能收到隔振效果。基地隔振方法与传统的抗震设计方法相比，有很大的优越性，它用基地隔振系统来减少地震作用，并耗散地震能量，而不特别要求结构本身有较大的变形能力和能量耗散能力。1.3隔振原理及系统组成1.3.1隔振原理随着大量强震记录的获得，计算分析等手段不断进展，对建筑物的地震反应也有了不同层次的影响，主要因素有：(1)结构物的基本周期；(2)阻尼比。周期延长后，建筑物的位移必然增大，必须采用适当的阻尼元件，增大整个结构的阻尼，以控制主部结构与基础之间的相对位移，简单地说，由于隔振建筑物具有相对较长的固有周期，因此采用使发生在底层的较大的相对位移集中化的方法，来减少上部结构的加速度反应，保证建筑物安全，并且隔振建筑能够将部分地震能量或反馈回地面，或由集中发生在柔性底层的大变形来吸收，减少地震能量向上部结构的传递，使上部结构基本上保持在弹性工作范围内，避免建筑结构的破坏。隔振的作用是减少振源和被隔振物体之间的动态耦合，从而减少不良振动传递给被保护物体或从物体传出。1.3.2隔振系统的组成隔振是振动控制的主要方法之一，该方法通过一个包含了特殊装置的辅助系统将振源和被保护物体隔离起来。这种特殊装置称为隔振器或隔振装置。隔振系统典型的模型包括如图所示的三个子系统：被隔振物体（质量为m）；柔性连接（隔振器）；非接触的基础（质量为mf）。常用的隔振器有：叠层橡胶垫支座、螺旋弹簧支座、摩擦滑移支座等。其中叠层橡胶垫隔振系统技术比较成熟，性能可靠和稳定，是目前世界上应用最为广泛的一种隔振系统。很多工程按比例缩小的建筑模型在地震模拟台上实验都获得成功，并在工程实际施工中获得了很好的经济价值和社会价值。根据弹性元件中能量耗散的特点及其设计，单轴向系统的动力学模型可以改变。对固定物体进行隔振的典型动态模型及其变形共有四种，如图1所示。在图（a）中，隔振器表示为一个弹性元件（刚度为k）与粘性阻尼器的并联，当俩个终端的相对位移为x时，粘性阻尼器产生的阻尼力Fv与相对速度成正比，即Fv=c(v1-v2),粘性阻尼器是对阻尼理想化以及便于对问题进行分析而提出的，并非一个实际存在的元件。图(b)中隔振器的弹性元件将弹性（刚度为k）和迟滞性能量耗散特性（材料阻尼）组合在了一起。研究表明，这种迟滞阻尼可以通过一个变阻尼系数的线性（粘性）阻尼器来表示ch=c(ω)=ψ/2π。迟滞阻尼为弹性-阻尼材料的基本特征，这类材料有橡胶、金属丝网等。图(c)、(d)是俩种松弛型隔振系统。mkcF(t)x1x2mf(a)mkc(ω)F(t)x1x2mf(b)mkcF(t)x1x2mf(d)k1mkcF(t)x1x2mf(c)k1图1常见单轴向隔振系统的典型模型(a)具有刚度k和粘性阻尼c的隔振器；(b)具有刚度k和迟滞阻尼c(ω)的隔振器；(c)，(d)松弛型隔振器。第二节工程中的隔振(震)工程中的隔振分俩种情况：（1）阻止振动的输出。如，大型动力机器振动向地基中的传播；地铁车辆振动传播。（如图2所示）（2）阻止振动的输入。如，结构抗震问题中的隔震设计，在振动的结构或地基上安装的精密仪器设备的隔振问题。（如图3所示）2.1力的传递和隔振第一种隔振实际上是力的隔振，即使动力机器产生的不平衡力或地铁车辆产生的冲击力降低，不传入或少传入到地基中，其力学模型如图4中左图所示。图4中，P0sinωt为机器的不平衡力；ω为机器的转速（角速度）；m为机器质量（设为mkcF(t)x1x2mkcF(t)x1x2mP(i)=P0sinωtckfT图4不同频率时力的传递率图2主动隔振系统图3被动隔振系统刚性质量块）；k、c为隔振元件的总刚度和阻尼系数；fT为从隔振元件传到地基的力。而通过隔振元件传递到地基的力为（1-1）TR（Transmissibility）：将作用于地基上的力的最大值fmax与体系上作用力的幅值p0之比称为传递率，它反映各隔振效果的量。（1-2）不同的频率时力的传递率TR可从图4中看到，当即，提高隔振的频率比(ω/ωn)可实现隔振，即使TR1。因此，为达到隔振的目的，可采用降低ωn的办法，即通过减小隔振元件或增加仪器质量的方法提高隔振效果。实际的隔振设计方案应在尽量小的刚度和可接受的静位移之间优化选取。2.2基底隔振第二种隔振情况实际上是基底振动的隔离，其力学模型与前者相似，如图4所示，而作用的基地（地面）的振动位移,质点的绝对位移为而为相对位移。可见，位移的传递率关系与力的传递率完全相同，说明俩种隔振问题是相同的，其隔振设计方法也基本相同。在基底隔振研究中有时专门研究对加速度的隔振，此时给出加速度的传递率可见，加速度的传递率与位移的传递率完全相同。2.3算例算例2.3.1（书算例3.3）工程场地竖向加速度为ag=0.1g，振动频率为f=10HZ，按放个重m=50kg的敏感仪器，仪器固定在刚度k=14KN/m,阻尼比ξ=10%的橡胶隔振垫上，问：(1)传递到仪器上得加速度是多少？(2)如果仪器只能承受0.005g的加速度，给出解决方案。算例2.3.2（书算例3.4）汽车在多跨连续桥梁上行驶，桥梁跨度均为L=30m，桥面由于长时徐变效应而产生15cm的扰度。桥面可以用振幅为7.5cm的正弦曲线来近似，汽车可以用一个单质点体系模拟，如果车重m=1.8t，求等效弹簧刚度k=140KN/m，等效阻尼比ξ=40%，求：(1)车以v=80km/h行驶时，汽车的竖向运动ut(t)的振幅ut0;(2)发生共振时汽车的行驶速度（此处指使振幅最大时的速度）。kcutugm30m7.5cm30m图5算例2.3.2模型示意图第三节算例的编程3.1GUI介绍图形用户界面（GraphicalUserInterfaces,GUI）是用户与计算机程序之间的交互式，它是包含图形对象，如窗口、图标、菜单和文本以及工具栏的用户界面。用户以某种方式选择或激活图形对象而引起动作或发生变化。通过图形界面用户可以非常直观、轻松地与计算机交互，且用户不必了解应用程序是如何执行各条命令的，只要掌握图形界面的各个组件的使用方法即可。3.1.1GUI如何工作每一个组件，包括GUI本身，都与一个或多个用户编写好的程序作为回调函数相关联。每一个回调函数的执行都是由用户的一个行为触发（如单击鼠标），选择菜单项或者是指针移动某个组件等。用户作为GUI的创建者编写出这些回调函数。GUI编程一般把它作为事件驱动型编程。在事件驱动型编程中，回调函数的执行是受事件外部软件控制而不同步的。在MATLAB的GUIs所有例子中，这些事件常常把它当做用户与GUI交互的形式。3.1.2GUI图形用户界面设计工具MATLABR2010提供的设计工具主要包括以下几种：对象编辑器（LayoutEditor）对象位置调整工具（AlignObjects）菜单编辑器(MenuEditor)Tab顺序编辑器（TabOrderEditor）M-file编辑器(M-fileEditor)对象属性编辑器(PropertyInspector)对象浏览器（ObjectBrowser）3.2MATLAB操作步骤第一步：在命令窗口输入GUIDE或者执行【file】——【New】——【GUI】命令启动对象编辑器（如图所示），然后对自己要设计的用户界面进行总体布局。上图按默认的选择择方式会产生空白对象编辑器如下图所示上图为空白对象编辑器第二步：添加需要的控件对象、菜单对象或者坐标轴对象。在这个例子中，我们需要添加2个滑块对象，2个坐标抽对象，2个命令按钮，n个静态文本标签和9个可编辑文本对象。（如图所示）第三步：修改对象属性、调整对象位置。选择对象属性编辑器来查看和修改控件对象的属性，然后通过对象位置调整工具调整对象位置使得界面更加规范、美观，如图所示。步骤一（如图所示）上图各对象直接拖动就可生成步骤二（如图所示）上图为编辑对象时的效果图第四步：设置好界面的各个对象以后，图形用户界面设计程序最重要、也是最关键的一步就是编写好回调程序，实行图形用户界面程序的功能。第五步：调试。编写好回调程序以后，单击M-file编辑器中的菜单【Debug】——【Run】调试程序。运行结果如图所示。上图为编辑对象后的效果图上图为调试后效果图3.3编程程序的简要讲述(详情参见POVI3_3.m文件)1、functionFcnname(hObject,eventdata,handles,varargin)hObject：图形界面的句柄。Eventdata：为了兼容将来版本的保留接口,直接忽略。Handles：可以理解成一个全局的structure,用来传输你自己的数据,你可以往handles里面任意添加成员。2、callback()函数Eg:functionslider1_Callback(hObject,eventdata,handles)如果控件是按钮，那点击按钮时，则按钮下地callback就会执行；如果是滑块（slider）则拖动滑块时，滑块名下地callback就会执行；总之，就是对控件默认操作时，matlab后台就会自动调用它名下的callback。3、get()函数获取对象属性get(h)返回由句柄h标示的图形对象的所有属性和他们的当前值。get(h,’PropertyName’)返回由句柄h标示的图形对象的’PropertyName’的值。4、set()函数设置对象属性set(H,’PropertyName’,PropertyValue,…)在由H指定的对象上将特定属性设置为指定的值。H可以是一个句柄向量，在这种情况下，对所有对象设置属性。附：程序文件functionvarargout=POVI3_3(varargin)%类似的是计算机直接生成的（勿改）%---ExecutesjustbeforePOVI3_3ismadevisible.functionPOVI3_3_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.%hObjecthandletofigure%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)%varargincommandlineargumen