一種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其根據(jù)離散單元法理論建立球狀顆粒離散元模型，開發(fā)了在一定形狀邊界內(nèi)模擬隨機(jī)產(chǎn)生顆粒組合體的方法；采用非二元搜索接觸檢測算法，模擬顆粒之間或顆粒與容器間相互接觸碰撞關(guān)系；引入有效動量交換的概念，拓展了合理定量分析顆粒阻尼器性能的方法。本發(fā)明基于離散單元法理論，開發(fā)了顆粒阻尼器仿真模擬、參數(shù)研究和性能分析的程序，突破了依賴于現(xiàn)象學(xué)試驗(yàn)分析的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)開辟了新的道路。
【專利說明】-種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒阻尼由于概念簡單、成本低廉，適用于高溫、輻射、腐蝕等惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)使 顆粒阻尼在土木結(jié)構(gòu)(包括高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等）振動控制領(lǐng)域應(yīng)用成為未來 趨勢。近來，顆粒阻尼器的數(shù)值模擬研究主要集中在單顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)，但這種模擬缺乏普 遍性。對于多顆粒阻尼器結(jié)構(gòu)，還需要考慮顆粒之間的相互作用，系統(tǒng)很難求得解析解，因 而學(xué)者們普遍在尋求一種簡化方法和數(shù)值方法。
[0003] 由于離散單元法能夠考慮顆粒之間，以及顆粒與容器壁之間的相互作用，能合理 地定量分析多顆粒阻尼器的性能，因此可以把離散單元法引入到顆粒阻尼器仿真模擬、參 數(shù)研究和性能分析的過程中，可實(shí)現(xiàn)顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供了一種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其根據(jù)離散單元法理論 建立球狀顆粒離散元模型，開發(fā)了在一定形狀邊界內(nèi)模擬隨機(jī)產(chǎn)生顆粒組合體的程序；采 用非二元搜索接觸檢測算法，模擬顆粒之間或顆粒與容器間相互接觸碰撞關(guān)系；引入有效 動量交換的概念，拓展了合理定量分析顆粒阻尼器性能的方法。
[0005] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的解決方案是： 本發(fā)明提出的顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下： 1) 仿真模擬顆粒的產(chǎn)生：基于離散單元法理論，在一定形狀邊界內(nèi)模擬隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè) 顆粒組合體，建立顆粒阻尼器球狀離散元數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)多顆粒阻尼器的仿真模擬； 2) 設(shè)置采集顆粒信息的時(shí)間、輸入顆粒阻尼器外部信息：輸入激勵信息，初始條件 和迭代時(shí)步；所述迭代時(shí)步采用顆粒單元的基本運(yùn)動方程為： mx(i) + ck(i) + kxfj) = F (I) 其中是顆粒單元質(zhì)量，z是位移，（是時(shí)間，c是粘性阻尼系數(shù)，々是剛度系數(shù)，/Yd 是單元受到的外力。要使求解穩(wěn)定，必須滿足：

【權(quán)利要求】
1. 一種顆粒阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于具體步驟如下： 1) 仿真模擬顆粒的產(chǎn)生：基于離散單元法理論，在一定形狀邊界內(nèi)模擬隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè) 顆粒組合體，建立顆粒阻尼器球狀離散元數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)多顆粒阻尼器的仿真模擬； 2) 設(shè)置采集顆粒信息的時(shí)間、輸入顆粒阻尼器外部信息：輸入激勵信息，初始條件和 迭代時(shí)步；所述迭代時(shí)步采用顆粒單元的基本運(yùn)動方程為： mx(i) + cx(t) + kx(t) = F (?) 其中是顆粒單元質(zhì)量，ζ是位移，?是時(shí)間，c是粘性阻尼系數(shù)，々是剛度系數(shù)，/Yd 是單元受到的外力；要使求解穩(wěn)定，必須滿足：
其中：（ = c/(2·^),是系統(tǒng)的阻尼比； 3) 對顆粒阻尼器內(nèi)部碰撞的算法分析：對顆粒之間，顆粒與容器壁間進(jìn)行接觸碰撞 理論分析；對于顆粒半徑相差不大的情況，采用Munjiza提出的非二元搜索算法，復(fù)雜度為 Tii N ； 4) 采用上述理論，計(jì)算顆粒阻尼器內(nèi)部相互作用力：采用本構(gòu)關(guān)系及相互作用力關(guān) 系得顆粒間及顆粒與容器壁作用力及合力；所述本構(gòu)關(guān)系為采用最簡單的力-位移模型： 法向采用線性接觸力模型，切向采用庫侖摩擦力模型； 法向力表示為：
其中，A3是彈簧剛度，ω2 = -Jk2?m是角頻率，C2是阻尼系數(shù)，= c2 /2oto>2是臨界阻尼 t匕，4和元是顆粒i相對于顆粒j的位移和速度，4是顆粒與容器壁的距離，腳標(biāo)i和j代 表顆粒i和顆粒j，％，Q和G代表顆粒間模擬法向彈簧的剛度，阻尼系數(shù)和臨界阻尼比； 采用庫侖摩擦力模型，切向接觸力表示為：芩=---? /14 I 其中，&是顆粒間或者顆粒與容器壁之間的摩擦系數(shù),么是顆粒i相對于顆粒j的切 向速度； 5) 由力與位移關(guān)系，分析顆粒與阻尼器位置：根據(jù)牛頓第二定律更新顆粒和容器壁的 位置和運(yùn)動關(guān)系； 6) 在保證每個(gè)迭代時(shí)步采集N個(gè)顆粒的受力及位置數(shù)據(jù)后，依據(jù)步驟1)輸入的迭代 時(shí)步，判斷是否迭代完成； 7) 對上述采集數(shù)據(jù)處理：基于主系統(tǒng)的動力方程以及有效動量交換理論分析阻尼 器參數(shù)和性能，確定最優(yōu)性能的參數(shù)； 所述主系統(tǒng)的動力方程為： M?i + CX + KX = F.4..E之 式中，M= AagfAfj M2…Afir]，E = HW1 -M2…-J4rf，F(xiàn)是接觸力向量，E是地 面加速度引起的矩陣，是地面加速度，K為剛度矩陣，X為位移向量； 所述有效動量交換理論："有效動量交換"="有用動量交換"有害動量交換"，能夠 減小主體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的碰撞類型是"有用碰撞"，相應(yīng)的動量交換定義為"有用動量交換"， 增大主體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的碰撞類型是"有害碰撞"，相應(yīng)的動量交換定義為"有害動量交換"。
【文檔編號】G06F17/50GK104376153SQ201410603987
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】魯正, 張鼎昌 申請人:同濟(jì)大學(xué)