CN102168459A

CN102168459A - 基于压电自集能的磁流变隔震装置

Info

Publication number: CN102168459A
Application number: CN 201110111830
Authority: CN
Inventors: 关新春; 黄永虎; 李惠
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2011-08-31

Abstract

基于压电自集能的磁流变隔震装置，涉及建筑物的隔震装置，解决了现有的基于传感器及控制电源的磁流变隔震装置，因其结构复杂增加了装置的不可靠性的问题；它包括磁流变阻尼器和隔震垫，它还包括压电发电装置，压电发电装置产生电能，电能使磁流变阻尼器产生的阻尼力耗散能量，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端，压电发电装置采用地震中的振动能转化为电能，既能保证为磁流变阻尼器供电，也充分利用了地震能量，实现以震制震，实现整套磁流变控制装置可以根据地震或者风振的大小，自适应调节阻尼器出力大小，用于防震建筑。

Description

基于压电自集能的磁流变隔震装置

技术领域

本发明涉及建筑物的隔震装置。

背景技术

隔震结构一般指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层的建筑结构，可分为两种形式：基础隔震结构(建筑物上部结构与基础之间设置隔震层)、层间隔震结构(底部或下部结构与上部结构之间设置隔震层)和二者复合型结构。

隔震层可通过塑性变形和阻尼，将大部分地震能量消耗，从而减小输入上部结构的能量。相对于利用建筑结构自身的塑性变形耗能的传统抗震结构，隔震结构层间位移小，上部结构加速度响应小，对重要性建筑、放置精密仪器的建筑或工厂，如医院建筑、核电站、历史性建筑、电脑中心、政府机关、化学工厂、疾病预防中心、生命线工程、住宅楼等，隔震结构具有相当大的应用前景。

由于原理和结构简单，易于将阻尼和塑性变形特性分开考虑并随意搭配，叠层橡胶支座和阻尼器构成的功能复合型隔震层应用比较广泛。叠层橡胶支座可看作水平弹簧，提供竖向支撑和水平变形，改善整个结构的刚度，增大结构自振周期；阻尼器可提供阻尼，耗散地震输入的能量。隔震层中的阻尼器，可采用粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦阻尼器、智能阻尼器等。阻尼器可保证隔震结构具有适当的耗能能力，从而使变形反应在设计范围内，振动尽早收敛。对应不同的地震输入能量(大震，中震，小震)，隔震结构需要配置与其相当的阻尼量，在最佳阻尼量情况下，位移和加速度反应都会显著降低。智能阻尼器，如磁流变阻尼器，因其可提供较大范围内可调的阻尼量，以其出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，表现出很大的优势。

磁流变阻尼器基于磁流变效应制作而成。阻尼器中液体(磁流变液，MRFD)主要由非导磁性液体(如水或油)和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒(如羟基铁粉)组成。在外加磁场作用下，其流动特性会发生显著的变化，粘度增大、屈服应力增加，表现为类固体特性；磁场作用撤除时，其特性又恢复良好的流动特性，见图2、图3。

国内外众多学者针对橡胶——磁流变阻尼器混合隔震技术开展了相关研究，研究认为，该技术减震效果具有很大的优势。而在地震中磁流变阻尼器的供电是一个尤为重要的问题。尽管磁流变阻尼器低功耗需求，但地震中能源系统易于遭受破坏，普通电源或者电池供电也易存在突发性问题，如无预警的能源枯竭问题，定期更换问题，在控制中造成很大的不便。

磁流变阻尼器，因其阻尼力可调范围大、出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，在半主动控制中表现出很大的优势。在半主动控制中，需要通过传感器采集速度或位移信号，按照主动控制算法计算确定最优控制力，根据磁流变阻尼器结构参数，反算电流并由控制电源施加，使得阻尼器的控制力尽可能接近主动最优控制力。阻尼器实际工作原理，如图7所示：阻尼器在不同电流(I₀～I_max)作用下的阻尼器出力为速度的一次函数，如图7中各条平行直线，在工作中，通过计算并由控制电源施加的电流可使得阻尼力在不同的平行直线上取值，从而尽可能接近主动最优控制力，达到控制效果。

现有的基于传感器及控制电源的磁流变隔震装置存在的问题是：在工作周期内，电源及传感器需不定期检查更换，增加了不必要的人力和物力消耗，且装置的整体使用寿命也因此缩短；在控制中，需要根据传感器采集的速度、位移的大小和方向，由运算器控制算法判定最优控制力进而得到控制电流的大小，最终由控制电源输出控制，因其结构复杂而增加了装置的不可靠性。

发明内容

本发明是为了解决现有的基于传感器及控制电源的磁流变隔震装置，因其结构复杂而增加了装置的不可靠性的问题，提出一种基于压电自集能的磁流变隔震装置。

基于压电自集能的磁流变隔震装置，它包括磁流变阻尼器和隔震垫，它还包括压电发电装置，压电发电装置产生电能，电能使磁流变阻尼器产生的阻尼力耗散能量，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端。

为充分利用磁流变阻尼器，达到更好的控制效果，本发明利用压电发电技术为磁流变阻尼器供电。压电材料耐久性好，能量密度高，可以保证阻尼器安全稳定供电需要；相比于基于传感器及控制电源的磁流变隔震装置，基于压电自集能的磁流变隔震装置不需用传感器和控制电源等部件即可工作，结构相对简单，具有更高的可靠性；压电发电装置将地震中的振动能转化为电能，既能保证为阻尼器供电，也充分利用了地震能量，实现以震制震，具有自适应性和智能性。

两种磁流变隔震装置的对比：

附图说明

图1为本发明应用在基础隔震的示意图，图2为本发明的未加磁场的磁流变示意图，图3为本发明的加磁场的磁流变示意图，图4为本发明的压电堆(Piezoelectric stack)发电装置的结构示意图，图5为本发明的悬臂梁发电装置的结构示意图，图6为本发明的悬臂梁发电装置的工作示意图，图7为磁流变阻尼器工作原理曲线图，图中曲线为目标阻尼力曲线，图8为本发明的剪切型压电发电装置的结构示意图，图9为本发明的压电堆结构和剪切型压电发电装置的阵列结构示意图，图10为本发明的应用在层间隔震示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括磁流变阻尼器1和设置在建筑结构主体与基础之间的橡胶隔震垫3，它还包括压电发电装置2，基础与主体结构间的相对位移或相对速度使压电发电装置2产生电能，电能使磁流变阻尼器1产生的阻尼力耗散能量，压电发电装置2的电流输出端连接在磁流变阻尼器1的电流输入端，本发明的隔震装置可以放于基础与主体结构之间(基础隔震)，还可以放在底部或下部结构与上部结构之间(层间隔震)。通过基础与主体结构间的相对位移或下部结构与上部结构间的相对位移使压电发电装置产生电能，电能使磁流变阻尼器产生的阻尼力耗散能量。

橡胶隔震垫可看作水平弹簧，提供竖向支撑和水平变形，改善整个结构的刚度，增大结构自振周期；阻尼器可提供阻尼，耗散地震输入的能量；隔震层中的阻尼器，可采用粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、摩擦阻尼器、智能阻尼器等，阻尼器可保证隔震结构具有适当的耗能能力，从而使变形反应在设计范围内，振动尽早收敛；对应不同的地震输入能量(大震，中震，小震)，隔震结构需要配置与其相当的阻尼量，在最佳阻尼量情况下，位移和加速度反应都会显著降低智能阻尼器，如磁流变阻尼器1，可提供较大范围内可调的阻尼量，以其出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，表现出很大的优势；为充分利用磁流变阻尼器1，达到更好的控制效果，本发明利用压电发电技术为磁流变阻尼器1供电，压电材料耐久性好，能量密度高，具有更高的安全系数；压电发电装置2采用地震中的振动能转化为电能，既能保证为磁流变阻尼器1供电，也充分利用了地震能量，实现以震制震；压电发电装置2在地震中，可以根据施加在装置上的力的大小和快慢，产生不同大小的电能，即“大震大电能，小震小电能”，而磁流变阻尼器1在地震中提供的阻尼力也要满足“大震大出力，小震小出力”的要求，通过合理参数的调整搭配，可以实现传感与供能二合一于压电供电装置2，实现整套磁流变控制装置可以根据地震或者风振的大小，自适应调节阻尼器出力大小，摒除了传感器和外加控制电源造成不可预知的干扰和低可靠性，实现了整套控制系统的自适应性和智能化。

具体实施方式二：结合图4、图9说明本实施方式，本实施方式的压电发电装置2采用压电堆结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

压电堆结构采用压电片材3与电极4交替隔层布置，原理是利用压电材料的d33模式，当结构两端施加外力时，引起压电片材的变形而产生电压。由于单层结构发电量低，故采用多层压电片材及电极混合叠加而构成压电堆结构，且在实际中采用压电堆的阵列，使发电量大幅度提高。

具体实施方式三：结合图5、图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式二不同的是压电发电装置2采用悬臂梁结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

悬臂梁结构中，在基体6两侧，均布置压电薄膜与电极隔层铺设的多层薄膜结构8，当建筑结构在地震中运动时，激振片5推动基体6使得压电悬臂梁结构产生初始位移，这一变形及随后质量块7产生的自由振荡，引起了悬臂体表面覆盖的薄膜结构8产生电能。由于单个悬臂梁结构发电量不足以供给磁流变阻尼器，故在实际中采用悬臂梁结构阵列结构，增大发电量。

具体实施方式四：结合图8、图9说明本实施方式，本实施方式与实施方式二不同的是压电发电装置2采用剪切型压电发电结构。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

剪切型压电装置的组成与压电堆结构相同，只是受力方式为剪切力，且在实际应用中，亦采用阵列结构。

具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是隔震装置布置在下部结构与上部结构之间(层间隔震)，通过下部结构与上部结构间的相对位移或相对速度使压电发电装置2产生电能，电能使磁流变阻尼器1产生的阻尼力耗散能量，压电发电装置2的电流输出端连接在磁流变阻尼器1的电流输入端。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

Claims

1.基于压电自集能的磁流变隔震装置，它包括磁流变阻尼器(1)和隔震垫(3)，其特征是它还包括压电发电装置(2)，压电发电装置(2)产生电能，电能使磁流变阻尼器(1)产生的阻尼力耗散能量，压电发电装置(2)的电流输出端连接在磁流变阻尼器(1)的电流输入端。

2.根据权利要求1所述基于压电自集能的磁流变隔震装置，其特征在于压电发电装置(2)采用压电堆结构。

3.根据权利要求1所述基于压电自集能的磁流变隔震装置，其特征在于压电发电装置(2)采用悬臂梁结构。

4.根据权利要求1或2所述基于压电自集能的磁流变隔震装置，其特征在于压电发电装置(2)采用剪切型压电发电结构。