本发明专利技术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。本发明专利技术还公开了一种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。
【技术实现步骤摘要】
一种TMD运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法
本专利技术涉及减震装置
，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。
技术介绍
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(TunedMassDamperSystem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CN202011133603.0“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CN202010005127.8“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CN201920824998.5“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CN202011188542.8“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。但是，TMD的减振效果仍未达到始终处于最佳状态，原因主要集中在以下几方面：1)TMD属于被动机械减振装置，其工作一直处于负荷状态且服役期较长，而机械部件的长期负荷工作应考虑TMD的服役状态。2013年8月由陈正清、黄智文(湖南大学风工程研究中心)所撰写的“桥梁用TMD的基本要求与电涡流TMD”《湖南大学学报(自然科学版)》对TMD基本性能提出要求，即以设计寿命周期为120年的港珠澳大桥为例，TMD各构件最低疲劳寿命在千万次以上，10年左右更换一次。机械部件的长期负荷工作会导致器件老化，影响TMD减振效果。2)TMD固有频率是以桥梁等结构的某阶固有频率为参照优化设计得到的，一个TMD只能控制单阶模态，大多数情况下，桥梁结构主要以第一或者前几阶振型为主，故TMD系统主要控制梁桥的第一阶或者前几阶振型，复杂的桥梁振动的振型和基频使TMD无法同时兼顾。若桥梁结构的实际频率偏离设计值，则TMD的优化频率也会改变，按原优化频率设计的TMD的减振效率将会降低。而目前TMD产品一旦安装之后不需要特殊的维护工作，质量块和阻尼在设计之初就确立了TMD的抑振参数和效果，无法随时调节自身振动频率以应对时时变化的桥梁振型、振率的变化，TMD何时达到寿命、何时需要更换完全凭人为判断。3)TMD系统中只有质量块、阻尼和弹簧三者之间协调运动才能起到最佳的减振效果，而在实际应用中，由于这三者的机械运动会存在不协调的振动运动相位差，或者TMD的摩擦阻尼过大等原因，导致TMD在主结构发生足够振动时,TMD不能立即启动工作或者不协调工作，TMD不能及时达到理想的工作状态，致使风振能量在桥梁结构中逐渐积累而形成大幅振动后，TMD减振效率急剧降低。从目前桥梁抑振理论和实践来看，目前的TMD系统建模方法是在桥梁振动的模拟应用领域进行模型开发和熟化，然后采用集成和数据融合的方法将来自简谐振动、阻尼抑振等不同领域的独立的模型融合为一个综合的TMD系统级模型，在实际减振中发挥了效果，虽然我们采用有限元分析方法等对其进行建模，但是我们对TMD及其衍生产品的内部各个组件的运行规律及有效性缺乏认识，对系统机理和特征的认知还不够充分，在缺乏对TMD运行状态实时监测数据的前提下，对TMD单纯采取理论计算来判断TMD的实际运行状态缺乏数据基础，这是目前对TMD的系统认识的难点所在。因此，判断TMD是否处于有效抑振状态的关键在于判断抑振执行部件，在TMD中的质量块、阻尼和弹簧，也包括TMD的衍生产品的各种抑振执行部件之间是否处于协调运动状态。然而，在TMD目前理论研究和产品中，对TMD的各个部件运行状态缺乏有效检测和监测，所以对TMD的运行状态无法掌握和有效判断，进而TMD对桥梁的抑振效果难以实时掌握和分析。在TMD长期运营中，往往根据经验判断TMD是否处于故障、判断哪些部件失灵，很难将其作为精准判断的数字化依据，因此非常有必要对TMD及其衍生产品进行实时监测，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，使其始终处于最佳抑振效果提供数据支撑。
技术实现思路
本专利技术为解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种TMD运行状态数字孪生检测装置及运行状态判断方法。通过对TMD及其各种衍生减振系统进行实时检测，针对TMD及其衍生系统的部件实体，通过数字化手段构建与之对应的数字孪生体(DigitalTwin),以此来实现对TMD各部件物理实体的实时监测和分析。及时了解TMD各组件的工作状态，通过数据驱动方式构建TMD系统的物理模型，以此来刻画和表征TMD系统运行状态、故障分析，利用人工智能，将实体监测、数据流程、算法和决策分析结合在一起，实现对TMD部件的数字映射，建立TMD系统运行的关键参数、检验指标的监控策略，监控TMD系统在虚拟模型中的变化，检测TMD各个抑振部件是否处于协调工作状态，进而利用TMD数字孪生和大数据分析判断TMD是否达到最佳减振效果，有针对性地调节本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种TMD运行状态数字孪生检测装置，包括：质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)和底座(4)，其特征在于还包括TMD传感器(5)、数据采集点(6)、检测控制器(7)、数据总线(8)和TMD运行状态数字孪生数据样本库(9)，TMD传感器(5)固定于底座(4)上，数据采集点(6)分别安装在质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)和底座(4)上，TMD传感器(5)采集质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)的竖直或者水平运动轨迹，采集数据在检测控制器(7)的控制下通过数据总线(8)传输至TMD运行状态数字孪生数据样本库(9)存储。/n
【技术特征摘要】
1.一种TMD运行状态数字孪生检测装置，包括：质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)和底座(4)，其特征在于还包括TMD传感器(5)、数据采集点(6)、检测控制器(7)、数据总线(8)和TMD运行状态数字孪生数据样本库(9)，TMD传感器(5)固定于底座(4)上，数据采集点(6)分别安装在质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)和底座(4)上，TMD传感器(5)采集质量块(1)、弹簧(2)、阻尼(3)的竖直或者水平运动轨迹，采集数据在检测控制器(7)的控制下通过数据总线(8)传输至TMD运行状态数字孪生数据样本库(9)存储。
2.根据权利要求1所述的TMD运行状态数字孪生检测装置，其特征在于阻尼(3)和弹簧(2)的数据采集点(6)在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系，质量块(1)和底座(4)的数据采集点(6)在空间上竖直或者水平对应，以此获得二者之间的位置随时间变化关系。
3.根据权利要求1所述的TMD运行状态数字孪生检测装置，其特征在于TMD传感器(5)采用速度传感器、相对位置传感器或激光检测器。
4.根据权利要求1所述的TMD运行状态数字孪生检测装置，其特征在于TMD传感器(5)所采集数据包括运动速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移。
5.根据权利要求1所述的TMD运行状态数字孪生检测装置，其特征在于还包括电涡流阻尼器(21)及电涡流阻尼器运动轨迹检测装置(22)。
6.根据权利要求5所述的TMD运行状态数字孪生检测装置，其特征在于电涡流阻尼器(21)包括永磁体(23)、导体板(24)、磁体背铁(25)、导体背铁(26)，电涡流阻尼器运动轨迹检测装置(22)包括电涡流阻尼传感器(27)和数据采集点(6)，用来采集永磁体(23)与导体板(24)之间的相对位置位移或者转动相对位移，检测数据包括速度、加速度、振荡幅度、运动频率、相对位置位移、转动速度、转动相对位置，数据采集点(6)固定于永磁体(23)、导体板...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓利，
申请(专利权)人：张晓利，
类型：发明
国别省市：北京;11
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