从“质量不可变”到“惯性可设计”

团队围绕结构振动控制与能源基础设施抗震韧性，发展更轻量、更高效且可验证的动力学设计方法，使惯性从物体的固有属性转化为可设计、可连接、可利用的工程资源。

原创价值｜让惯性成为结构与装备可设计、可利用的工程能力
过去，惯性主要由物体“有多重”决定；现在，惯性还可以由装置“怎么设计、怎么连接”决定。

原创技术主线：真实惯性力 → 阻尼增效 → m–c–k–b四元协同 → 动态负刚度协同 → 轻量化工程控制

调谐减振轻量化实证：45 kg TMIS 对比 90 kg 传统 TMD

动图对比无控原结构、90 kg传统TMD与45 kg TMIS的振动响应，直观展示惯容效应降低附加调谐质量需求的潜力。

主要研究方向

• 惯容系统与高性能减振装置：研究真实惯性力、“以惯代质”方法、阻尼增效机理、m–c–k–b四元协同与动态负刚度协同控制体系、装置构型及性能化设计。

• 隔震减震与振动控制：面向复杂结构，开展动力响应分析、控制方案设计和试验验证。

• 风电与城市环境振动控制：面向风电塔、地铁运行和城市工程施工引起的振动问题，开展监测识别、传播分析、预测评估及减振方案设计。

• 新型减振材料与超材料：研究高阻尼减振材料、振动控制超材料及其构件和结构应用。

• 监测、智能优化与数字化评估：依托工程互联网连接结构、设备、监测数据与计算模型，开展状态识别、参数优化和性能评估。

• 能源与重大基础设施安全：服务大型储液罐、海上风电塔、工业动力设备及复杂结构。

代表性科研与工程项目

团队面向新能源与重大能源基础设施、城市环境振动及复杂工程结构的抗震减振需求，开展从基础理论、控制方法、智能算法和装置研发，到大型试验、现场监测与工程验证的系统研究。研究对象涉及大型能源储液罐、海上风电、城市轨道交通、工业装备等，注重原创理论、关键技术与实际工程问题的结合。

大型能源储液罐自适应惯容隔震

国家自然科学基金项目。围绕大型储液罐在复杂地震作用下的隔震与控制，开展流固耦合建模、参数优化、装置设计与试验验证。

海上风电塔自适应液体惯容减振

上海市国际合作项目。面向强风与地震作用下的风电塔振动控制，开展调谐液体惯容技术、动力分析与性能评估。

高性能惯容系统与结构振动控制

国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项。研究阻尼增效机理、高性能装置与结构控制方法，贯通理论、装置、算法和试验。

城市环境与地铁振动控制

面向地铁运行和城市工程施工引起的环境振动，开展现场监测、传播机理分析、预测评估及隔振减振方案设计，为邻近建筑、精密设备和人员舒适度控制提供技术支持。

高阻尼减振新材料与振动控制超材料

面向建筑、轨道交通和工业设备的振动控制需求，开展高阻尼减振材料与振动控制超材料的设计、动力性能表征、力学建模、构件与装置集成及工程验证。

超大型LNG薄膜罐振动台试验

围绕30万立方米超大型LNG薄膜罐开展抗震与隔震振动台试验、安全评估和技术验证，为大型能源储液设施的设计与风险控制提供依据。

相关项目也为研究生提供了动力学建模、智能优化、装置研发、振动试验、现场监测和工程验证等不同研究切入点。

合作方式：企业和工程单位可围绕地铁与环境振动、结构或设备隔振、减振新材料、抗震安全和健康监测等需求，与团队开展现场测试、预测评估、方案设计、材料与装置研发、试验验证及联合研究。

装置研发、试验验证与工程应用

团队形成了从装置设计、样机研制和性能试验，到大型结构与工业场景工程应用的技术链条。

流体惯容装置性能试验

开展动力性能测试与参数辨识，验证惯容装置的可设计、可测试与可评价。

多型高倍惯容器样机

面向不同安装空间、承载能力和控制参数需求，形成系列化惯容装置研发能力。

惯容器工程安装与应用

完成惯容装置在实际结构中的集成部署，推动相关技术由理论与样机走向工程应用。

大吨位惯容装置试验

面向大型储液罐、风电塔等大型结构，开展装置承载能力与动力性能验证。

工业泵站惯容减振应用

面向旋转设备与管路系统的振动问题，开展惯容装置集成、现场测试与减振验证。

专著与知识体系

《惯容减震结构原理与应用》

张瑞甫、潘超著，科学出版社，2020年。本书系统介绍惯容元件、减振增效机理、结构控制方法与工程应用，是团队贯通基础理论、设计方法和工程实践的重要成果。

震后结构修复与消能减震技术

参与编写汶川地震震后研究相关章节，结合钢筋混凝土框架震害分析与消能减震技术，讨论理论方法如何进入真实工程修复。

授权发明专利与装置创新

围绕惯容元件、减振装置、隔震体系和结构控制方法，已获授权发明专利30项，形成从力学原理、装置构型到结构应用的知识产权体系。

代表性方向：

• 高倍率机械、流体、电磁和气体惯容装置

• 调谐液体惯容与自适应减振系统

• 惯容型隔震支座、减震层与剪力墙体系

• 多维振动控制与能量收集装置

• 面向储罐、风电塔、工业设备和复杂结构的专用控制技术

团队欢迎围绕真实工况开展联合研发、样机测试、性能评估和成果转化，具体合作以技术需求、知识产权和交付边界为基础协商。

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。