Utafiti huu unachunguza ulinzi wa pamoja wa miundo ya ukumbi wa vali za kigeuzi na vali za kigeuzi zinazoning’inizwa kutoka darini katika mifumo ya usafirishaji wa umeme wa mkondo mfululizo wa volteji ya juu dhidi ya mitikisiko ya tetemeko la ardhi ya mlalo na wima. Watafiti wamebuni beari ya utengaji wa tetemeko la ardhi ya pande tatu, isiyo ya mstari na inayojirudisha katikati, ambayo inaunganisha beari za mpira zenye kiini cha risasi, springi za gesi, springi za heliksi na dampers za hewa katika mfumo mmoja. Mfumo mdogo wa springi ya gesi–beari ya mpira yenye kiini cha risasi ulichunguzwa kwa majaribio ya maabara; muundo mzima ulitathminiwa kwa kutumia modeli ya vipengele vyenye ukomo ya ABAQUS na rekodi 20 za tetemeko la ardhi zenye vijenzi vitatu. Uchambuzi wa kinambari uliripoti kupungua kwa mishughuliko ya mlalo kwa %31,8–%75,4, uhamisho wa mlalo kwa %20,1–%65,1, mishughuliko ya wima kwa %24,6–%50,1 na uhamisho wa wima kwa %15,2–%39,9.

Sifa bainifu ya mfumo uliopendekezwa ni kwamba hubaki nyumbufu vya kutosha kutoa utengaji wa tetemeko la ardhi katika uhamisho mdogo na wa kati, huku nguvu isiyo ya mstari ya urejeshaji ya springi za gesi ikiongezeka katika uhamisho mkubwa. Tabia hii ilionekana kama ugumu unaozidi kudhihirika katika mviringo wa nguvu–uhamisho wa beari kadiri uhamisho mkubwa unavyokaribiwa. Kwa hivyo, springi za gesi zinalenga kuzuia safu ya utengaji isisogee bila udhibiti na kuimarisha mwelekeo wa kurudi katika nafasi ya awali baada ya tetemeko la ardhi.

Hata hivyo, utafiti haukuthibitisha moja kwa moja tabia ya kujirudisha katikati kwa vipimo vya uhamisho wa mabaki. Uthibitishaji wa kimajaribio ulifanywa tu kwenye mfumo mdogo wa mlalo wa springi ya gesi–beari ya mpira yenye kiini cha risasi; mfumo wa wima wa springi ya heliksi–damper ya hewa na muundo kamili wa ukumbi wa vali haukujaribiwa kimwili. Kwa hiyo, utendaji wa tetemeko la ardhi ulioripotiwa katika kiwango cha muundo unategemea uigaji wa vipengele vyenye ukomo, na majaribio ya mfumo kamili yanahitajika ili matokeo yaweze kuhamishiwa katika matumizi halisi ya eneo.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni kama miitikio ya tetemeko la ardhi ya mlalo na wima ya mfumo mkuu wa kubeba mizigo wa ukumbi wa vali za kigeuzi na vifaa vizito vya umeme vinavyoning’inizwa kwa unyumbufu kutoka darini inaweza kupunguzwa kwa mfumo mmoja wa utengaji. Utafiti pia unachunguza kama inaweza kubuniwa mekanizimu inayoweza kutoa nguvu ya kutosha ya urejeshaji katika uhamisho mkubwa wa mlalo na hivyo kupunguza ugeukaji wa kudumu wa beari baada ya tetemeko la ardhi.

Kumbi za vali za kigeuzi ni miongoni mwa miundombinu muhimu ya mifumo ya usafirishaji wa umeme wa mkondo mfululizo wa volteji ya juu. Miundo hii si majengo ya viwanda yenye nafasi pana pekee. Fremu za chuma, kuta za zege iliyoimarishwa, trasi za paa, vihami, vipenyo vya ukutani, vikamata mawimbi ya umeme na vali nzito za kigeuzi zinazoning’inizwa kutoka darini huunda mfumo changamani wa kidinamiki wa muundo–vifaa vya umeme unaofanya kazi kwa pamoja. Wakati wa tetemeko la ardhi, muundo mkuu unapoyumba, vifaa vilivyoning’inizwa vinaweza kuendelea na mwendo wake wa masafa ya chini; mwendo wa wima wa paa pia unaweza kusababisha ukuzaji wa ziada wa kidinamiki kwenye vihami vya kuning’iniza na vali.

Pengo katika suluhisho zilizopo za utengaji

Beari za kawaida za mpira zenye kiini cha risasi au upunguzaji mkubwa hupunguza miitikio ya tetemeko la ardhi ya mlalo kwa kuongeza kipindi cha mtetemo wa mlalo wa muundo na kutumia nishati ya histeresia. Hata hivyo, ugumu wa wima wa beari hizi kwa kawaida huwa mkubwa. Kwa hiyo, haziwezi kudhibiti vya kutosha ukuzaji wa mshughuliko wa wima unaoweza kuonekana kwenye paa zenye nafasi pana na vifaa vya umeme vilivyoning’inizwa.

Mifumo ya utengaji wa pande tatu iliyobuniwa hapo awali imetumia suluhisho mbalimbali kama vile beari za mpira, springi za hewa, pendulamu za msuguano, springi za pete, ugumu hasi au mekanizimu za kuteleza. Kwa mujibu wa watafiti, tafiti zinazozingatia kwa pamoja jiometri ya kifaa, usanifu wa vigezo, majaribio ya vijenzi na utendaji wa muundo mzima kwa mfumo jumuishi wa ukumbi wa vali za kigeuzi na vali zilizoning’inizwa ni chache. Mfumo uliopendekezwa wa NSC-3DIB unalenga pengo hili kwa kuunganisha utengaji wa mlalo na wima, utumiaji wa nishati na mekanizimu ya urejeshaji katika uhamisho mkubwa ndani ya beari moja.

NSC-3DIB inajumuisha vijenzi gani?

Beari ya utengaji wa pande tatu, isiyo ya mstari na inayojirudisha katikati, yenye jina la Kiingereza nonlinear self-centering three-dimensional isolation bearing na kifupi NSC-3DIB, inajumuisha vijenzi vinne vikuu vya kiutendaji:

• Beari ya mpira yenye kiini cha risasi: Hutoa uwezo wa kubeba mzigo wa mlalo, ugeukaji nyumbufu na utumiaji wa nishati ya histeresia.
• Springi za gesi zenye ulinganifu: Hutoa nguvu isiyo ya mstari ya urejeshaji inayoongezeka kwa kasi kadiri uhamisho wa mlalo unavyoongezeka.
• Springi za heliksi: Hupunguza ugumu wa wima na kuongeza kipindi asilia cha mtetemo wa wima wa mfumo.
• Dampers za hewa: Hutumia nishati ya mtetemo wa wima kupitia mgandamizo wa gesi na ukinzani wa mtiririko unaotokea wakati wa mwendo wa pistoni.

Mfumo pia una vizuia uhamisho vinavyozuia mwendo wa wima kuvuka mipaka salama, reli za kuteleza, sahani za kuunganisha na nyumba ya nje ya ulinzi. Mchoro wa 1 unaonyesha mifumo midogo ya mlalo na wima ikiunganishwa katika beari moja lakini ikiwa na majukumu tofauti ya kimitambo. Katika kitovu cha mfumo wa mlalo kuna beari ya mpira yenye kiini cha risasi, huku springi za gesi zenye ulinganifu zikiwa kuizunguka; mfumo wa wima hujumuisha springi za heliksi, dampers za hewa na vipengele vya kuzuia.

Mwendo wa mlalo unadhibitiwaje?

Katika mwelekeo wa mlalo, beari ya mpira yenye kiini cha risasi na springi za gesi hufanya kazi sambamba na hupitia uhamisho uleule wa mlalo. Beari inaposogea upande mmoja, springi moja ya gesi hubanwa huku ile ya upande mwingine ikirefuka. Mwelekeo wa mwendo unapogeuzwa, majukumu haya hubadilishana. Mabadiliko ya shinikizo katika springi mbili za gesi kwa pamoja huunda nguvu ya urejeshaji.

Nguvu ya urejeshaji ya mlalo ya beari ya mpira yenye kiini cha risasi imeelezwa kwa modeli ya histeresia ya Bouc–Wen:

\[ F_L = \alpha K_0 x + (1-\alpha)F_y z \]

Hapa F_L inaonyesha nguvu ya mlalo ya beari ya mpira yenye kiini cha risasi, K₀ ugumu kabla ya kuanza kulegea, α uwiano wa ugumu baada ya kulegea, x uhamisho wa mlalo, F_y nguvu ya kulegea na z kigeu cha ndani cha histeresia. Sehemu ya kwanza inawakilisha mchango nyumbufu wa tabaka za mpira, na sehemu ya pili matumizi ya nishati ya mzunguko yanayotokana na kulegea kwa kiini cha risasi.

Ukuaji wa kigeu cha histeresia umefafanuliwa kwa uhusiano ufuatao wa Bouc–Wen:

\[ \dot{z} = \frac{1}{x_y}\left[A\dot{x}-\beta|\dot{x}|\,|z|^{n-1}z-\gamma\dot{x}|z|^n\right] \]

x_y inaonyesha uhamisho wa kulegea; A, β, γ na n ni vigezo vya modeli vinavyoamua umbo la kitanzi cha histeresia, ukali wa mpito na tabia ya upakiaji–upakuaji. Mlinganyo unaonyesha kwamba nguvu haitegemei tu uhamisho wa wakati huo, bali pia historia ya awali ya upakiaji.

Kwa nini springi za gesi huzalisha nguvu isiyo ya mstari?

Gesi iliyo ndani ya springi za gesi inapobanwa, ujazo hupungua na shinikizo huongezeka. Katika mwendo mdogo wa awali athari ya mabadiliko ya ujazo huwa ndogo, lakini kadiri mwisho wa mwendo wa pistoni unavyokaribiwa, kiasi kilekile cha mwendo wa ziada huathiri sehemu kubwa zaidi ya ujazo wa gesi iliyobaki. Kwa hiyo, nguvu haiongezeki kwa mstari kulingana na uhamisho, bali huongezeka kwa mviringo unaozidi kuwa mkali.

Nguvu ya urejeshaji ya kundi la springi za gesi zenye ulinganifu imemodeliwa chini ya dhana ya mchakato wa gesi wa politropiki kama ifuatavyo:

\[ F_g = P_{g0}A_gV_0^{n_g}\frac{(V_0+A_gx)^{n_g}-(V_0-A_gx)^{n_g}}{(V_0^2-A_g^2x^2)^{n_g}} \]

Katika mlinganyo huu P_g0 ni shinikizo la awali la gesi, A_g eneo faafu la pistoni, V₀ ujazo wa awali wa gesi na n_g thamani ya kipeo cha politropiki. Kuongeza shinikizo la awali au eneo la pistoni huongeza nguvu ya urejeshaji, huku kuongeza ujazo wa awali wa gesi kukipunguza mabadiliko ya ujazo kwa uwiano katika uhamisho uleule na hivyo kupunguza ongezeko la nguvu.

Kwa kuwa beari yenye kiini cha risasi na springi za gesi ziko sambamba, nguvu ya jumla ya mlalo ni jumla ya michango hiyo miwili:

\[ F_h = F_g + \alpha K_0x + (1-\alpha)F_yz \]

Uhusiano huu unatoa muhtasari wa tabia ya msingi ya mfumo wa NSC-3DIB. Wakati beari ya mpira yenye kiini cha risasi ikitumia nishati ya mzunguko, springi za gesi hutoa nguvu ya urejeshaji inayoongezeka hasa katika uhamisho mkubwa. Eneo pana la histeresia katika miviringo ya nguvu–uhamisho huonyesha utumiaji wa nishati, na kupinda juu kwa mviringo kuelekea ncha huonyesha tabia ya kuongezeka kwa ugumu wa springi za gesi.

Utengaji wa wima unatolewaje?

Katika mfumo wa wima, springi za heliksi na dampers za hewa hufanya kazi sambamba. Nguvu ya urejeshaji ya springi za heliksi imemodeliwa kwa mstari:

\[ F_s = k_sy \]

Hapa k_s ni jumla ya ugumu wa wima wa springi za heliksi na y ni uhamisho wa wima. Kupunguza ugumu huongeza kipindi asilia cha mtetemo wa wima. Hivyo, mfumo unajaribu kupunguza uhamishaji wa moja kwa moja wa mabadiliko ya haraka ya mshughuliko wa wima kutoka ardhini hadi kwenye paa na vifaa vilivyoning’inizwa.

Dampers za hewa zimewakilishwa kwa modeli ya Maxwell iliyorekebishwa. Mahusiano ya ugumu sawia na mgawo wa upunguzaji yaliyotumika katika utafiti ni haya:

\[ k_a = 1{,}102\frac{\gamma p_0 A_p}{h_p} \]

\[ c = 1{,}135\frac{\alpha_0 A_p^2}{1+3\varepsilon^2/2} \]

γ inaonyesha uwiano wa joto mahususi la hewa, p₀ shinikizo la anga, A_p eneo la pistoni, h_p urefu wa chemba ya hewa, α₀ kigezo cha upunguzaji na ε uwiano wa eksentrisiti. Kwa kuwa ugumu sawia wa damper ya hewa ulidhaniwa kuwa mdogo ikilinganishwa na ugumu wa springi ya heliksi, ulipuuzwa katika usanifu wa ugumu wa wima na damper ilitumiwa hasa kama kipengele cha kupunguza mtetemo.

Kwa dhana hii, nguvu ya wima ya beari ilipunguzwa hadi uhusiano ufuatao wa springi–damper:

\[ F_z = k_sy + c\dot{y} \]

Sehemu ya kwanza inaeleza nguvu nyumbufu inayotegemea nafasi ya wima, na sehemu ya pili nguvu ya upunguzaji inayotegemea kasi ya wima. Kwa hiyo, badala ya kubeba mwendo wa wima kwa springi pekee, mfumo hutumia sehemu ya nishati wakati wa mwendo kupitia ukinzani wa mtiririko wa hewa.

Malengo ya muundo yalihamishwaje kwa beari moja moja?

Mojawapo ya michango muhimu ya utafiti ni mbinu ya usanifu ya hatua kwa hatua inayobadilisha malengo ya utengaji yaliyowekwa kwa ukumbi mzima wa vali kuwa vigezo vya kimwili vya vijenzi vya beari chini ya kila nguzo. Mtiririko wa kazi uliotolewa katika Mchoro wa 3 una hatua tatu: kubainisha malengo ya muundo na usanifu, kusambaza vigezo kwa beari moja moja kulingana na miitikio ya nguzo, na kuhesabu vipimo vya kijiometri vya beari yenye kiini cha risasi, springi ya gesi, springi ya heliksi na damper ya hewa.

Jumla ya uzito wa muundo juu ya safu ya utengaji M, kipindi lengwa cha awali cha mlalo T_h,0, kipindi lengwa cha wima T_v na uwiano lengwa wa upunguzaji wa wima ξ_v vinapojulikana, vigezo vya mfumo mzima huhesabiwa kwa mahusiano yafuatayo:

\[ K_{h,0}=\frac{4\pi^2M}{T_{h,0}^2} \]

\[ K_v=\frac{4\pi^2M}{T_v^2} \]

\[ \omega_v=\frac{2\pi}{T_v} \]

\[ C_v=2\xi_vM\omega_v \]

K_h,0 inaonyesha jumla ya ugumu wa awali wa mlalo, K_v jumla ya ugumu wa wima, ω_v masafa ya pembe ya wima na C_v jumla ya mgawo wa upunguzaji wa wima.

Kwa kuwa mizigo ya nguzo si sawa, haikuonekana kufaa kuzipa beari zote thamani sawa za ugumu na upunguzaji. Mgawo wa usambazaji unaotegemea mwitikio wa wima wa msingi wa nguzo ulitumiwa kwa kila beari:

\[ \lambda_i=\frac{N_i}{\sum_{i=1}^{N}N_i} \]

\[ k_{h,0,i}=\lambda_iK_{h,0},\qquad k_{v,i}=\lambda_iK_v,\qquad c_i=\lambda_iC_v \]

N_i inaeleza mzigo wa wima unaobebwa chini ya nguzo husika; λ_i inaeleza sehemu ya beari hiyo katika mfumo mzima. Kupitia mkabala huu, beari zilizo chini ya nguzo zinazobeba mzigo mkubwa zaidi wa wima zilipewa uwezo mkubwa zaidi wa ugumu na upunguzaji.

Ugumu wa mlalo uligawanywaje kati ya springi za gesi na beari ya mpira?

Uwiano wa ugumu wa awali wa kundi la springi za gesi kwa ugumu baada ya kulegea wa beari yenye kiini cha risasi umefafanuliwa kwa η_k. Kwa mujibu wa hili:

\[ k_{l2,i}=\frac{k_{h,0,i}}{1+\eta_k} \]

\[ k_{g0,i}=\eta_k k_{l2,i} \]

k_l2,i inaonyesha ugumu baada ya kulegea wa beari ya mpira yenye kiini cha risasi, na k_g0,i ugumu wa awali wa kundi la springi za gesi. Katika kiwango cha uhamisho wa usanifu x_m, uwiano wa nguvu ya springi ya gesi kwa nguvu ya beari yenye kiini cha risasi pia umefafanuliwa kwa η_f:

\[ F_{g,i}(x_m)=\eta_fF_{L,i}(x_m) \]

Ugumu wa awali wa springi ya gesi umehusishwa na shinikizo na jiometri ya gesi kama ifuatavyo:

\[ k_{g0,i}=\frac{2n_gP_{g0,i}A_g^2}{V_0} \]

Mahusiano haya huruhusu shinikizo la awali la gesi, eneo la pistoni na ujazo wa gesi kuhesabiwa kwa kurudi nyuma. Ikiwa ugumu sawia wa mlalo na kipindi cha beari iliyohesabiwa katika uhamisho wa usanifu havilingani na lengo, uwiano wa nguvu au vipimo vya springi ya gesi hubadilishwa na mchakato hurudiwa.

Mfumo mdogo wa mlalo ulijaribiwaje kimajaribio?

Watafiti walitengeneza sampuli ya utengaji wa mlalo iliyojumuisha beari ya mpira yenye kiini cha risasi, springi za gesi zenye ulinganifu pande mbili, viungio vya ulimwengu wote, sahani za chuma na vizuia mwendo. Kwanza, shinikizo thabiti la wima linalowakilisha hali ya uendeshaji liliwekwa kwenye sampuli, kisha mizunguko ya mlalo inayoweza kurejeshwa na kudhibitiwa kwa uhamisho ikatumika. Nguvu ya mlalo na uhamisho vilipimwa kwa wakati mmoja ili kupata miviringo ya histeresia.

Katika mpangilio wa majaribio, springi za gesi ziliunganishwa kwa viungio vya ulimwengu wote. Madhumuni ya viungio hivi ni kukubali mizunguko midogo na uvumilivu wa usakinishaji, kupunguza momenti zisizohitajika za kupinda katika nyumba za springi za gesi, na kuhakikisha kwamba vipengele vinabeba nguvu ya mhimili kadiri iwezekanavyo. Mchoro wa 4 unaonyesha mashine ya majaribio, vijenzi vya sampuli na itifaki ya upakiaji wa mzunguko; Mchoro wa 5 unaonyesha kwamba wakati wa mwendo kwenda kulia na kushoto springi moja ya gesi hubanwa huku ile ya upande mwingine ikirefuka.

Kipenyo faafu cha sampuli ya beari ya mpira yenye kiini cha risasi ni 250 mm, kipenyo cha kiini cha risasi ni 42 mm na urefu wa jumla ni 190 mm. Beari ilitumia tabaka 17 za mpira za 3,5 mm na sahani 16 za chuma za 2,5 mm. Ugumu kabla ya kulegea ulitolewa kama 3125 kN/m, ugumu baada ya kulegea 312,5 kN/m na uhamisho wa kulegea 4 mm. Vipenyo vya silinda vya 63, 80 na 100 mm vilijaribiwa kwa springi za gesi; shinikizo la awali na urefu wa kufanya kazi vilibadilishwa.

Shinikizo la gesi na kipenyo cha silinda vilibadilishaje nguvu?

Ujumbe mkuu wa miviringo ya histeresia katika Mchoro wa 6 ni kwamba shinikizo la awali la gesi linapoongezeka, miviringo hupanuka kuelekea nje na kupinda juu katika uhamisho mkubwa hudhihirika zaidi. Shinikizo la awali lilipoongezwa kutoka 0,1 MPa hadi 0,5 MPa, nguvu ya kilele ya urejeshaji ya mpangilio wenye silinda ya 63 mm iliongezeka kutoka 32,55 kN hadi 45,41 kN. Mabadiliko haya yanalingana na ongezeko la %39,5.

Katika shinikizo la awali la 0,5 MPa, nguvu ya kilele ya silinda yenye kipenyo cha 80 mm ilipimwa kuwa 54,78 kN, huku nguvu ya kilele ya silinda yenye kipenyo cha 100 mm ikiwa 69,07 kN. Thamani hizi ni za juu kwa %20,6 na %52,1, mtawalia, ikilinganishwa na mpangilio wenye silinda ya 63 mm. Matokeo yanaonyesha kwamba si shinikizo pekee, bali pia eneo faafu la pistoni, huamua nguvu ya urejeshaji katika uhamisho mkubwa.

Kwa nini urefu wa kufanya kazi wa springi ya gesi ni muhimu?

Katika Mchoro wa 7, urefu wa kufanya kazi wa springi ya gesi ulibadilishwa kati ya 60, 70 na 80 mm. Kadiri urefu wa kufanya kazi ulivyoongezeka, ujazo wa awali wa gesi uliongezeka na mabadiliko ya ujazo kwa uwiano katika uhamisho uleule wa mlalo yakapungua. Kutokana na hilo, ugumu wa awali na nguvu ya urejeshaji katika uhamisho mkubwa vyote vilipungua.

Kwa kuwa urefu mfupi wa kufanya kazi huunda ujazo mdogo wa gesi, kiasi kilekile cha mwendo wa pistoni huibana gesi kwa uwiano mkubwa zaidi. Hali hii huzalisha tabia yenye nguvu zaidi ya kuongezeka kwa ugumu. Hata hivyo, ikumbukwe kwamba nguvu kubwa haimaanishi utengaji bora kila wakati; ugumu kupita kiasi unaweza kufupisha kipindi cha utengaji na kuongeza mshughuliko unaohamishwa kwenda kwenye muundo wa juu.

Modeli ya kinadharia ililingana kwa kiwango gani na majaribio?

Uthibitishaji wa modeli ulifanywa kwa vipenyo vitatu tofauti vya silinda katika urefu wa kufanya kazi wa 60 mm na shinikizo la awali la 0,5 MPa, ambapo athari isiyo ya mstari ilikuwa dhahiri zaidi. Katika Mchoro wa 8, miviringo ya kinadharia na ya kimajaribio ya histeresia inaonekana kukaribiana kwa umbo la jumla, eneo la mzunguko na ongezeko la nguvu katika uhamisho mkubwa.

Hitilafu za nguvu ya kilele ya urejeshaji zilibaki chini ya %10 kwa vipenyo vyote vya silinda, huku hitilafu ya juu zaidi ikiripotiwa kuwa %9,7. Uthibitishaji huu unaunga mkono matumizi ya modeli ya mlalo ya springi ya gesi–beari ya mpira yenye kiini cha risasi katika uchambuzi wa vipengele vyenye ukomo. Hata hivyo, uthibitishaji unatumika tu kwa vipimo vya sampuli, shinikizo, urefu wa kufanya kazi na hali za upakiaji nusutuli zilizochunguzwa; upakiaji wa haraka wa kidinamiki, uchovu wa muda mrefu wa mzunguko, mabadiliko ya halijoto na athari za ukubwa kamili hazijajaribiwa kando.

Modeli ya vipengele vyenye ukomo ya ukumbi wa vali iliundwaje?

Ukumbi wa vali uliochunguzwa ni muundo wa viwanda wa ghorofa moja wenye nafasi pana katika mradi wa usafirishaji wa umeme wa mkondo mfululizo wa volteji ya juu sana. Urefu wa muundo ni 31,4 m na vipimo vya mpango ni 94 m × 35,5 m. Mfumo una mpangilio mseto wa kubeba mizigo unaounganisha fremu za chuma na kuta za zege iliyoimarishwa.

Kuna makundi sita ya vali za kigeuzi katika mwelekeo wa urefu. Kila kundi lina jumla ya sehemu tano za kuning’iniza kwa vali nne za thirista na kikamata mawimbi kimoja cha umeme. Kila sehemu ya kuning’iniza imeunganishwa kwenye ukanda wa chini wa trasi ya paa kwa kihami cha kuning’iniza na hubeba mzigo uliokolezwa wa 30 kN. Mpangilio huu nyumbufu wa kuning’iniza huruhusu vali kuyumba kwa masafa ya chini kuliko muundo mkuu.

Katika modeli ya ABAQUS, boriti na nguzo za fremu za chuma, vipengele vya trasi ya paa na vipengele vya fremu ya zege iliyoimarishwa vilimodeliwa kwa vipengele vya boriti vya B31; kuta za shear zilimodeliwa kwa vipengele vya gamba vya S4R. Vali za kigeuzi ziliwakilishwa kwa gamba, na vihami vya kuning’iniza kwa vipengele vya boriti. Modeli ya upunguzaji ya Rayleigh ilitumika kwa upunguzaji wa muundo.

Masafa ya msingi ya mlalo ya muundo usio na utengaji yalikokotolewa kuwa 1,51 Hz, na masafa ya wima 2,92 Hz. Haya yanalingana na vipindi vya takriban sekunde 0,66 vya mlalo na sekunde 0,34 vya wima. Masafa ya msingi ya vali za kigeuzi zilizoning’inizwa ni 0,39 Hz. Masafa haya ya chini yanaonyesha kwamba vali zina unyumbufu mkubwa zaidi na mwendo wa kipindi kirefu kuliko muundo mkuu.

Mfumo wa utengaji uliwekewaje katika modeli ya muundo?

Jumla ya NSC-3DIB 51 ziliwekwa, moja kwenye msingi wa kila nguzo. Kwanza uchambuzi tuli wa modeli isiyo na utengaji ulifanywa na mwitikio wa msingi wa kila nguzo ukakokotolewa; kisha thamani za jumla za ugumu na upunguzaji zilisambazwa kwa beari moja moja kulingana na miitikio hiyo. Mchoro wa 10 unaonyesha nafasi za beari katika mpango na mihimili ya nguzo.

Katika usanifu, kipindi cha awali cha utengaji wa mlalo kilichaguliwa kuwa sekunde 2,0, kipindi cha utengaji wa wima sekunde 0,6, uhamisho wa usanifu wa mlalo 100 mm, uhamisho wa usanifu wa wima 20 mm na uwiano lengwa wa upunguzaji wa wima 0,15. Uwiano wa ugumu wa awali η_k ni 0,5, na uwiano wa nguvu ya springi ya gesi/beari yenye kiini cha risasi katika uhamisho wa usanifu η_f ni 0,7.

Kwa mfano, kwa beari katika mhimili A/1 inayobeba mwitikio wa wima wa 209,6 kN, ugumu wa wima ulikokotolewa kuwa 3093,1 kN/m na mgawo wa upunguzaji wa wima kuwa 88,61 kN·s/m. Katika beari hii, kipenyo cha nje cha kipengele cha mpira chenye kiini cha risasi ni 280 mm, kipenyo cha kiini cha risasi 44 mm, nguvu ya kulegea 14,85 kN na uhamisho wa kulegea 8 mm. Shinikizo la awali la springi ya gesi lilitolewa kuwa 0,3 MPa, kipenyo cha springi moja ya gesi 147 mm na urefu wa kufanya kazi 141 mm.

Ndani ya ABAQUS, springi ya gesi na beari ya mpira yenye kiini cha risasi zilifafanuliwa kwa vipengele viwili tofauti vya kiunganishi vya CONN3D2 vinavyofanya kazi sambamba katika mwelekeo wa mlalo. Tabia nyumbufu isiyo ya mstari ya kiunganishi ilitumika kwa springi ya gesi, na tabia ya kiunganishi nyumbufu-plastiki kwa beari yenye kiini cha risasi. Katika mwelekeo wa wima, ugumu wa springi ya heliksi na sifa ya upunguzaji ya damper ya hewa ziliwakilishwa katika mfumo mmoja wa kiunganishi.

Mitikisiko ya tetemeko la ardhi ilichaguliwaje?

Rekodi 20 za tetemeko la ardhi zilizochaguliwa kutoka hifadhidata ya PEER NGA-West2 zilitumika katika uchambuzi wa historia ya muda. Rekodi 10 zilikuwa mitikisiko ya eneo la karibu na 10 zilikuwa za eneo la mbali. Magnitudo za momenti zilikuwa kati ya 6,50 na 7,62, na umbali wa karibu zaidi wa mpasuko ulikuwa kati ya 0,34 km na 76,26 km.

Katika hali lengwa za usanifu, kipindi bainifu kilichukuliwa kuwa sekunde 0,4 na mshughuliko wa usanifu wa ardhi kuwa 0,2 g. Vijenzi vitatu vya mtikisiko wa tetemeko la ardhi vilitumika kwenye modeli kwa uwiano wa X:Y:Z = 1:0,85:0,65. Mwelekeo wa urefu wa X ulizingatiwa kuwa mwelekeo mkuu wa ingizo.

Miitikio ya mlalo ilichunguzwa juu ya nguzo ya chuma, juu ya ukuta wa shear, katikati ya nafasi ya ukanda wa chini wa trasi ya paa na sehemu ya chini ya vali ya kigeuzi. Miitikio ya wima ilitathminiwa katikati ya nafasi ya trasi ya paa na sehemu ya chini ya vali. Katika kila sehemu, mishughuliko na uhamisho vililinganishwa kwa kutumia thamani za kilele na mzizi wa wastani wa mraba.

Matokeo ya utengaji wa mlalo yanaonyesha nini?

NSC-3DIB ilipunguza mshughuliko wa mlalo na uhamisho wa mlalo katika sehemu zote za tathmini. Matokeo katika mielekeo ya X na Y yalipotathminiwa kwa pamoja, uwiano wa utengaji wa mshughuliko wa mlalo ulitofautiana kati ya %31,8 na %75,4, huku uwiano wa utengaji wa uhamisho wa mlalo ukitofautiana kati ya %20,1 na %65,1.

Kupungua kwa mshughuliko kwa ujumla kulikuwa juu kuliko kupungua kwa uhamisho. Hili linaonyesha kwamba mfumo wa utengaji huchuja kwa ufanisi mwendo wa ghafla unaohamishwa kwenye muundo wa juu, lakini lazima uruhusu uhamisho fulani ili safu ya utengaji iweze kusogea. Kwa maneno mengine, mfumo hauondoi kabisa mwendo wa ardhini; hubadilisha sehemu ya mwendo kuwa uhamisho unaodhibitiwa katika kiwango cha beari.

Michoro ya visanduku katika Mchoro wa 14 na Mchoro wa 15 inaonyesha kwamba uwiano wa utengaji katika rekodi za eneo la mbali mara nyingi ni mkubwa kuliko katika rekodi za eneo la karibu. Watafiti wanahusisha tofauti hii na maudhui ya spektra yaliyo laini zaidi ya mitikisiko ya eneo la mbali. Mipigo ya kasi na maudhui makubwa ya masafa ya chini katika baadhi ya mitikisiko ya eneo la karibu yanaweza kusababisha uhamisho mkubwa katika safu ya utengaji, na kuhamisha springi za gesi zisizo za mstari hadi eneo la ugumu mkubwa zaidi.

Utendaji katika mwelekeo wa Y ulionekana kuwa chini kidogo kuliko katika mwelekeo wa X. Waandishi wanahusisha matokeo haya na kutolingana kwa mpango wa muundo katika mwelekeo wa Y, usambazaji usio sare wa uzito–ugumu na tofauti za mitetemo ya ndani. Hata hivyo, utafiti haukujaribu moja kwa moja maelezo haya kwa uchambuzi tofauti wa msokoto; kwa hiyo mekanizimu hii ni tafsiri ya waandishi inayotegemea matokeo ya kinambari.

Matokeo ya utengaji wa wima yanaonyesha nini?

Ingawa udhibiti wa wima haukuwa mkubwa kama udhibiti wa mlalo, upungufu mkubwa wa mwitikio ulipatikana katika mfumo wa paa na vali zilizoning’inizwa. Uwiano wa utengaji wa mshughuliko wa wima ulikuwa %24,6–%50,1, na uwiano wa utengaji wa uhamisho wa wima ulikuwa %15,2–%39,9.

Mchoro wa 16 unaonyesha kwamba kupungua kwa mwitikio wa wima katika sehemu ya chini ya vali kwa ujumla ni kubwa kuliko katikati ya nafasi ya trasi ya paa. Kwa mujibu wa watafiti, katikati ya nafasi ya trasi ya paa huathiriwa kwa pamoja na tabia ya anga ya paa, muunganisho wa vihami vya kuning’iniza na mitetemo ya vipengele vya ndani. Sehemu ya chini ya vali huonyesha kwa njia ya moja kwa moja zaidi mwendo wa jumla wa mfumo wa kuning’iniza.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba mfumo wa wima haukati kabisa mtikisiko wa tetemeko la ardhi, lakini hupunguza mwendo unaohamishwa kutoka paa kwenda kwenye vifaa vilivyoning’inizwa kwa kuchanganya ugumu mdogo wa wima na upunguzaji wa hewa. Utendaji wa utengaji wa wima unategemea jiometri ya dampers za hewa pamoja na uwezo wa kubeba mzigo na kikomo cha mwendo cha springi za heliksi.

Kwa nini utendaji hupungua ukali wa tetemeko la ardhi unapoongezeka?

Uchambuzi wa unyeti ulifanywa kwa kuongeza au kupunguza vipimo vya rekodi za El Centro Array #9, Pacoima Dam, Taft Lincoln School na Ferndale City Hall hadi viwango tofauti vya mshughuliko wa kilele wa ardhi. Mshughuliko wa kilele wa ardhi ulipoongezeka kutoka 0,2 g hadi 0,4 g, uwiano wa utengaji wa mlalo ulipungua kwa pointi za asilimia 9,2–20,3 kulingana na kipimo cha mwitikio kilichotumika na rekodi ya tetemeko la ardhi.

Mtikisiko wenye nguvu zaidi wa tetemeko la ardhi husababisha uhamisho mkubwa katika safu ya utengaji. Uhamisho huu hupeleka springi za gesi kwenye eneo la kuongezeka kwa ugumu la mviringo wa nguvu–uhamisho. Ugumu sawia wa mlalo unapoongezeka, kipindi cha utengaji hufupika na faida ya kupunguza mshughuliko inayotolewa na kuongeza kipindi hudhoofika. Tabia hii inaonyesha kwamba lazima kuwe na uwiano wa usanifu kati ya nguvu salama ya urejeshaji ya springi ya gesi na ugumu mdogo wa utengaji.

Je, kuongeza uwiano wa nguvu ya urejeshaji kuna manufaa kila wakati?

Hapana. η_f, ambayo ni uwiano wa nguvu ya springi ya gesi kwa nguvu ya beari ya mpira yenye kiini cha risasi, ilipoongezwa kutoka 0,7 hadi 1,1, uwiano wa utengaji wa mlalo ulipungua katika rekodi zote nne za tetemeko la ardhi. Upungufu ulikuwa katika kiwango cha pointi za asilimia 3,3–8,0.

η_f ya juu zaidi inaweza kuongeza mwelekeo wa kurudi katika nafasi ya awali kwa sababu hutoa nguvu kubwa zaidi ya urejeshaji katika uhamisho mkubwa. Hata hivyo, pia huongeza ugumu sawia wa mlalo na kufupisha kipindi cha utengaji. Kwa hiyo, nguvu ya juu zaidi ya kujirudisha katikati na ufanisi wa juu zaidi wa utengaji hazipatikani katika thamani ileile ya kigezo.

Hitimisho kuu la usanifu la utafiti ni kwamba thamani ya η_f haipaswi kuchaguliwa kwa kuzingatia nguvu ya juu pekee. Uhamisho wa mlalo wa usanifu, kipindi lengwa, mwendo wa beari, mshughuliko wa muundo wa juu na hitaji la kurejea baada ya tetemeko la ardhi vinapaswa kutathminiwa kwa pamoja.

Kipenyo cha pistoni ya damper ya hewa kiliathirije utendaji wa wima?

Kipenyo cha silinda ya damper ya hewa kilishikiliwa katika 200,2 mm huku kipenyo cha pistoni kikiongezwa kutoka 199,4 mm hadi 200,0 mm. Kadiri kipenyo cha pistoni kilivyoongezeka, nafasi ya mtiririko yenye umbo la pete kati ya pistoni na silinda ilipungua, na ukinzani wa mtiririko wa gesi pamoja na upunguzaji sawia ukaongezeka.

Miviringo katika Mchoro wa 19 inaonyesha kwamba katika rekodi zote za tetemeko la ardhi zilizochunguzwa, uwiano wa utengaji wa mshughuliko na uhamisho wa wima uliongezeka kadiri kipenyo cha pistoni kilivyoongezeka. Uboreshaji wa jumla ulikuwa katika kiwango cha pointi za asilimia 5,6–8,1.

Hata hivyo, nafasi ndogo sana ya kufanya kazi inaweza kufanya uvumilivu wa utengenezaji kuwa muhimu, kuongeza hatari ya msuguano au kukwama, na kuzuia mwendo unaohitajika kutimia. Kwa hiyo, watafiti wanapendekeza kipenyo cha pistoni kichaguliwe si kwa uwiano wa kinambari wa utengaji pekee, bali pamoja na uwezekano wa utengenezaji, uhuru wa mwendo, nguvu ya upunguzaji, uhamisho wa wima wa usanifu na akiba ya usalama ya kizuia mwendo.

Hitimisho zinazoungwa mkono na utafiti

• Shinikizo la awali na eneo la pistoni ya springi za gesi hubadilisha kwa kiasi kikubwa nguvu ya urejeshaji ya mlalo.
• Urefu wa kufanya kazi wa springi ya gesi unapoongezeka, ugumu wa awali na nguvu katika uhamisho mkubwa hupungua.
• Modeli ya springi ya gesi–beari ya mpira yenye kiini cha risasi iliwakilisha miviringo ya kimajaribio kwa hitilafu ya juu ya nguvu ya kilele ya %9,7 katika majaribio nusutuli yaliyochunguzwa.
• Ndani ya modeli ya vipengele vyenye ukomo, NSC-3DIB ilipunguza miitikio ya tetemeko la ardhi ya mlalo na wima ya muundo mkuu, paa na vali zilizoning’inizwa.
• Kuongezeka kwa ukali wa tetemeko la ardhi na uwiano wa nguvu ya springi ya gesi kulipunguza ufanisi wa utengaji wa mlalo.
• Kupunguza nafasi ya mtiririko katika damper ya hewa kuliboresha utendaji wa utengaji wa wima katika modeli ya kinambari.

Hitimisho ambazo utafiti haukuthibitisha

• Utafiti hauonyeshi kwamba beari ya ukubwa kamili ya NSC-3DIB hufanya kazi kwa mafanikio chini ya tetemeko la ardhi katika ukumbi halisi wa vali.
• Kwa kuwa uhamisho wa mabaki baada ya tetemeko la ardhi haukukokotolewa moja kwa moja wala kupimwa kimajaribio, utendaji kamili wa kujirudisha katikati haujathibitishwa.
• Mfumo mdogo wa wima wa springi ya heliksi–damper ya hewa haukujaribiwa kimwili ndani ya utafiti huu.
• Uchovu wa muda mrefu, kuzeeka, mabadiliko ya halijoto, kuvuja kwa gesi, matengenezo na tabia wakati wa hitilafu za beari hazikutathminiwa.
• Mwingiliano wa udongo–muundo haukujumuishwa katika modeli.
• Matokeo yanayotegemea jiometri moja ya ukumbi wa vali hayawezi kujumlishwa moja kwa moja kwa vituo vyote vya kigeuzi.
• Matokeo ya preprint si makubaliano ya kisayansi yaliyopitiwa na wataalamu wala kiwango cha usanifu kilicho tayari kutumika.

Nguvu za utafiti na umuhimu wa baadaye

Nguvu ya utafiti ni kwamba haukuacha wazo la kifaa kama mchoro wa dhana pekee. Watafiti waliunda milinganyo ya kimitambo, wakabuni mtiririko wa usanifu unaobadilisha malengo ya muundo kuwa vigezo vya beari moja moja, wakatengeneza sampuli ya mfumo mdogo wa mlalo, wakalinganisha modeli na miviringo ya kimajaribio, na kisha wakafanya uchambuzi wa tetemeko la ardhi wenye vijenzi vitatu kwa ukumbi mzima wa vali.

Mkabala uliopendekezwa unalenga hasa katika miundombinu ya usafirishaji wa nishati, si tu kuhakikisha jengo linaendelea kusimama, bali pia kuhakikisha vifaa nyeti vya umeme vilivyounganishwa nalo vinaendelea kufanya kazi. Katika miundombinu ya usafirishaji wa umeme, urejeshaji wa haraka baada ya tetemeko la ardhi unategemea ulinzi wa vali zilizoning’inizwa, vihami na vipengele vya kuunganisha, pamoja na kuzuia uharibifu wa muundo.

Tafiti za baadaye zinapaswa kujumuisha majaribio ya beari za pande tatu za ukubwa kamili, uthibitishaji wa meza ya kutikisa, vipimo vya uhamisho wa mabaki, uimara wa mzunguko, kuzuia uvujaji wa gesi, athari za halijoto, mwingiliano wa wima-mlalo, tabia ya msokoto na mwingiliano wa udongo–muundo. Utendaji wa mfumo katika eneo halisi haupaswi kuchukuliwa kuwa umethibitishwa mpaka uthibitishaji huu ukamilike.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa muundo wa utafiti

Vigezo vya msingi vya sampuli ya jaribio

Vigezo vya ukumbi wa vali na uchambuzi

Matokeo makuu ya kimajaribio na ya kinambari

Dhana na vikwazo vya kimetodolojia

• Tabia za mlalo na wima za beari zilidhaniwa kuwa takriban huru kutoka kwa kila moja.
• Ilidhaniwa kwamba springi za gesi hubeba hasa mzigo wa mhimili na kwamba mzunguko wa kiungio na athari za pili za kupinda zinaweza kupuuzwa.
• Tabia ya beari ya mpira yenye kiini cha risasi ilirahisishwa kwa modeli ya Bouc–Wen.
• Ilidhaniwa kwamba ugeukaji wa wima hutokea hasa katika springi za heliksi na matumizi ya nishati katika dampers za hewa.
• Ugumu sawia wa damper ya hewa ulipuuzwa katika usanifu wa wima.
• Mwingiliano wa udongo–muundo haukuzingatiwa.
• Mfumo mdogo wa mlalo ulijaribiwa nusutuli; beari kamili ya pande tatu na mfumo mdogo wa wima havikuthibitishwa kimajaribio.
• Uhamisho wa mabaki na kiasi halisi cha kujirudisha katikati baada ya tetemeko la ardhi havikuripotiwa moja kwa moja.
• Matokeo yalipatikana kwa modeli moja ya ukumbi wa vali na rekodi zilizochaguliwa za tetemeko la ardhi.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti:Design and Seismic Response Control of a Nonlinear Self-Centering Three-Dimensional Isolation Bearing for Converter Valve Hall Structures

Waandishi na mpangilio wao: Kunjie Rong, Junrong Gong na Li Tian.

Taasisi za waandishi:

• Kunjie Rong: School of Energy Power and Engineering, North China Electric Power University; School of Civil Engineering, Shandong University; Hebei Key Laboratory of Electric Machinery Health Maintenance and Failure Prevention; Yanzhao Electric Power Laboratory.
• Junrong Gong: School of Civil Engineering, Shandong University.
• Li Tian: School of Civil Engineering, Shandong University.

Uandishi mwenza wa kwanza: Hakuna taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa katika maandishi.

Mwandishi wa mawasiliano: Li Tian. Anwani ya barua pepe ya mwandishi wa mawasiliano imetolewa katika utafiti kuwa tianli@sdu.edu.cn.

DOI: 10.2139/ssrn.7196888. Taarifa ya DOI haikuonyeshwa katika sehemu ya maandishi ya utafiti na ilithibitishwa kupitia rekodi rasmi ya SSRN.

Jarida: Haijathibitishwa kuwa utafiti ulichapishwa au kukubaliwa katika jarida lililopitiwa na wataalamu.

Jukwaa la uchapishaji na mchapishaji wa asili: SSRN, jukwaa la preprint ndani ya Elsevier.

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Aina ya chanzo: Utafiti wa preprint unaounganisha utafiti wa kimajaribio wa kijenzi cha mlalo na uigaji wa vipengele vyenye ukomo.

Hali ya mapitio ya kitaalamu: Utafiti huu ni preprint ambayo haijapitia mapitio ya kitaalamu; matokeo yake yanapaswa kusomwa kwa kuzingatia kikwazo hiki.

Kiungo rasmi cha chanzo: https://ssrn.com/abstract=7196888

Makala hii ya Kiswahili iliandaliwa kwa kuchunguza maandishi, milinganyo, majedwali, picha za majaribio, michoro ya kimitambo, miviringo ya histeresia, modeli ya vipengele vyenye ukomo, grafu za mwitikio wa tetemeko la ardhi na uchambuzi wa unyeti wa utafiti uliopakiwa. Maudhui ya kisayansi, isipokuwa mwandishi, DOI, jukwaa na hali ya uchapishaji, yalizuiliwa katika utafiti uliopakiwa; hakuna matokeo mapya ya kisayansi yaliyoongezwa kutoka vyanzo vya nje.

Kikwazo muhimu zaidi cha kimetodolojia cha utafiti ni kwamba ni mfumo mdogo wa mlalo wa springi ya gesi–beari ya mpira yenye kiini cha risasi pekee uliojaribiwa kimwili. Mfumo mdogo wa wima, beari kamili ya pande tatu, ukumbi mzima wa vali na tabia halisi ya kujirudisha katikati baada ya tetemeko la ardhi havikuthibitishwa kimajaribio. Uwiano wa utengaji katika kiwango cha muundo unategemea uigaji wa vipengele vyenye ukomo. Utafiti huu hautoi ushahidi wa matumizi ya eneo halisi, uimara wa muda mrefu au utendaji katika tetemeko halisi la ardhi.