代表性原创成果与技术进展

本栏目集中展示团队在惯容原创理论、性能导向设计、装置技术、振动能量利用、软件与标准等方面的代表性成果。

代表性原创贡献与成果脉络
以下成果呈现团队在惯容减振理论、设计方法与装置技术方面的发展脉络。

一、惯容真实惯性力

惯容是惯性控制力与相对加速度成比例的力学元件。团队从惯性和非惯性参考系的角度提出，惯容元件是一种真实惯性力元件，并阐明其与经典质量元件虚拟惯性力的区别。这里的“真实”，是指该力真实存在、能够直接作用于结构，而不是为建立动力平衡方程引入的假想力。

惯容器可由滚珠丝杠、齿轮—齿条、流体变速等不同机制实现。各部件的运动均可由经典力学描述；当装置作为宏观整体进行研究时，则表现出与相对加速度相关的特殊力学行为。因此，真实惯性力理论并不是重新提出惯容的相对加速度本构，而是进一步阐明这种惯性控制力的物理属性。

表观质量用于表征惯容器运行时表现出的动态质量增效，真实惯性力则揭示惯容作用力的物理属性。前者回答“惯容效应有多大”，后者回答“惯容作用力是什么”。这一认识有助于正确建立动力方程和能量方程，理解实际传力与能量传递过程。

惯容已应用于结构减震、车辆与列车悬架、桥梁、起落架、机床、半主动控制和振动能量采集等方向。随着应用范围不断扩展和装置构型逐渐增多，准确区分真实惯性力、表观质量以及摩擦、阻尼、刚度等非理想作用，对新型惯容器和智能惯容系统的建模、试验与可靠设计更加重要。

不同惯容实现构型与装置动力试验

二、惯容系统阻尼增效原理与应用

团队从闭式随机响应出发，推导并证明了惯容系统阻尼增效方程，揭示了惯容元件、弹簧元件与耗能元件耦合产生的阻尼增效机制。该机制利用惯容元件所产生的真实惯性力，提高系统对振动能量的吸收效率；同时放大耗能元件的相对变形或速度，使相同参数的耗能元件耗散更多振动能量，并据此提出通用设计原理。

γ² (1 + α² ξ/ζ) = 1

其中，γ为结构位移响应减震比，α为阻尼变形增效系数，ξ为惯容系统名义阻尼比，ζ为主体结构固有阻尼比。

该原理可用于黏滞、电涡流等阻尼元件的耗能增效。对于电涡流等速度相关阻尼元件，在输入相对运动速度较低时，可利用滚珠丝杠、齿轮传动等运动转换机构提高导体与磁场之间的相对速度，从而增强阻尼力和耗能能力。

三、调谐质量惯容系统（TMIS）轻量化

传统调谐质量阻尼器通常需要较大的附加质量。团队利用惯容元件的表观质量放大特性，提出并发展调谐质量惯容系统的轻量化设计方法；在结构性能目标保持不变的情况下，可显著降低所需的调谐质量。围绕风电塔应用、非接地系统和摆式构型，团队持续推进TMIS的理论设计、性能优化与工程适用性研究。

调谐质量惯容系统轻量化特性：TMD与TMIS对比

四、惯容发电与振动能量利用

围绕海洋波浪能利用，团队提出“一种惯容点吸振式波浪能发电系统”（ZL202111660219.0）。该系统利用振动浮子输入波浪能，通过调谐弹簧调控振动特性，并由滚珠丝杠将竖向往复运动转化为惯容飞轮的转动，驱动电磁能量转换器发电，拓展惯容技术在振动能量捕获与可再生能源利用中的应用。

五、软件、标准与工程工具

团队重视把理论和算法转化为可使用的工程工具，已形成结构分析、参数优化、信号处理和模型转换等软件成果，并主持或参与编制7部标准（数据截至2026年3月）。

• 多自由度惯容减震结构动力分析软件（INERTER）

• 地震动信号处理及分析软件（EQSignal）

• SAP2000-OpenSEES结构模型转换软件

• 碰撞耗能型惯容系统参数优化与分析软件

• 考虑土-结构相互作用的惯容系统优化分析软件

这些工具可服务科研计算、方案比选、试验数据处理和工程性能评估，也为学生提供从公式、代码到工程判断的完整训练。