CN102287475A - 阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器，是一种自适应调节剪切刚度和阻尼的粘弹性阻尼器，该阻尼器主要由磁组件、控制器（7）和传感器（8）组成，其中：磁组件形成了完整的闭合磁回路，由线圈来提供磁能输入，通过改变线圈中的电流来改变磁回路中的磁感应强度大小；控制器（7）通过数据线分别与传感器（8）、磁组件的线圈绕组（4）相连。本发明利用导磁阻尼层的流变效应来弥补普通粘弹性材料的温度软化效应，使得粘弹性材料因温度升高而减少的储能模量可以通过增加外部磁场加以补偿；与传统的粘弹性阻尼器比较，本阻尼器可以根据需要智能控制阻尼力的大小，具有很好的控制效果。

Description

阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器
技术领域
本发明涉及结构工程领域，特别是涉及一种基于流变智能材料，制作成刚度和阻尼均智能可控的器件，将其安装在工程结构上来抵抗强风、地震等动力作用。
背景技术
粘弹性阻尼器能给结构提供刚度和阻尼，其性能可靠、构造简单、耗能能力强，从美国纽约世贸大厦安装上万个粘弹性阻尼器来抵御强风作用到现在，粘弹性阻尼器已经在许多建筑、桥梁和大跨结构中得到运用。不过，粘弹性阻尼器也有其致命的弱点，那就是粘弹性材料是温度敏感材料，随着温度的升高，材料的储能模量发生几个数量级的急剧下降，损耗因子也下降迅速，这严重降低了粘弹性阻尼器的耗能能力和应用范围。因此，如何解决粘弹性阻尼器的温度敏感问题是十分必要的。
为此，本发明将智能材料来代替粘弹性材料，或者将智能材料灌入普通粘弹性材料中，利用智能材料的流变效应来弥补普通粘弹性材料的温度软化效应，使得粘弹性材料因温度升高而减少的储能模量可以通过增加外部磁场加以补偿。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种刚度和阻尼都智能可控的粘弹性阻尼器，该阻尼器能够随着结构的动力响应来调节阻尼力，并且可以通过增大电流来补偿由于温度升高而降低的储能模量。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的是一种自适应调节剪切刚度和阻尼的粘弹性阻尼器，该阻尼器主要由磁组件、控制器和传感器组成，其中：磁组件形成了完整的闭合磁回路，由线圈来提供磁能输入，通过改变线圈中的电流来改变磁回路中的磁感应强度大小；控制器通过数据线分别与传感器、磁组件的线圈绕组相连。
所述磁组件可由与插销连接板相连的导磁钢板、导磁阻尼层、导磁体、线圈绕组，以及不与插销连接板相连的的具有导磁作用的独立钢板组成。
所述导磁钢板、独立钢板和导磁阻尼层交替叠放在一起，线圈绕组绕在导磁钢板上。
所述导磁阻尼层可以采用两层以上结构。
所述导磁阻尼层可以由磁流变弹性体组成。
所述导磁阻尼层可以由以下结构组成：在普通粘弹性材料或者磁流变弹性体材料中挖孔，然后灌入电流和/或磁流变液、羰基铁粉粒子和纯铁粒子。
所述导磁钢板和插销连接板一起运动，让导磁阻尼层产生相对位移；在独立钢板的四周缠绕线圈绕组，以增加导磁阻尼层中的磁感应强度，从而增加所述阻尼器中的最大阻尼力。
所述导磁钢板、独立钢板及导磁体可以采用硅钢、磁性合金、低碳钢或纯铁制成，或采用硅钢片叠层制成。
所述导磁钢板与导磁体可以通过一次性铸造工艺形成一个整体，以方便本发明所述粘弹性阻尼器的加工。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：
其一.本阻尼器创新地将磁流变弹性体替换了普通粘弹性阻尼器中的粘弹性材料形成智能材料导磁阻尼层，并且增加了传感器和控制器。阻尼器可以通过控制器改变线圈绕组的电流来改变磁路中的磁感应强度；变化的磁感应强度垂直通过磁流变弹性体智能材料时，可以改变材料的储能模量和损耗因子，从而能够根据外部响应自适应改变阻尼器的阻尼力大小。
其二.本阻尼器创新地在普通粘弹性材料阻尼层中挖孔，往孔中灌入磁流变液或者羰基铁粉粒子或者纯铁粒子形成智能材料导磁阻尼层，然后将阻尼层与钢板固结在一起形成闭合导磁回路，这样就可以通过改变电流来改变磁路中的磁感应强度，从而改变阻尼器的阻尼力了。
其三. 对于普通粘弹性阻尼器，粘弹性材料的温度软化效应严重影响了其应用范围。而采用上述两种方法制作的智能可调阻尼器完全可以通过改变电流来弥补普通粘弹性材料的温度软化效应，粘弹性材料因温度升高而减少的储能模量可以通过增加外部磁场来加以补偿，是结构振动控制中的一种新技术。
总之，本发明利用导磁阻尼层的流变效应来弥补普通粘弹性材料的温度软化效应，使得粘弹性材料因温度升高而减少的储能模量可以通过增加外部磁场加以补偿。与传统的粘弹性阻尼器比较，本阻尼器可以根据需要智能控制阻尼力的大小。根据我们的有限元计算发现，在线圈匝数仅为100匝，励磁电流为2A时，导磁阻尼层中的磁感应强度可达0.94T，及电流从0A增加到2A，可控阻尼器的阻尼力可以增加2倍以上，具有很好的控制效果。
附图说明
图1为本发明两层阻尼层智能可控粘弹性阻尼器的结构示意图。
图2为本发明多层阻尼层智能可控粘弹性阻尼器的结构示意图。
图3为本发明在中间增设独立钢板层的阻尼器结构示意图。
图4 为本发明阻尼器将上、钢板与导磁体铸造成整体的结构图。
图5为本发明阻尼器在阻尼层中开孔的示意图。
图中：1.导磁钢板； 2.导磁阻尼层；3.导磁体； 4.线圈绕组； 5.插销连接板；6.插销连接孔； 7.控制器； 8.传感器； 9.独立钢板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器，其结构如图1至图3所示：主要由磁组件、插销连接件、控制器7和传感器8组成。其中：磁组件形成了完整的闭合磁回路，由线圈来提供磁能输入，通过改变线圈中的电流来改变磁回路中的磁感应强度大小。插销连接件由插销连接板5和插销连接孔6组成，插销连接件可以将阻尼器和其他结构连接起来，从而发挥阻尼器对其他结构的耗能作用。控制器7通过数据线分别与传感器8、线圈绕组4相连。
所述磁组件由与插销连接板5相连的导磁钢板1，导磁阻尼层2，导磁体3，线圈绕组4，以及不与插销连接板5相连的的具有导磁作用的独立钢板9组成。
本发明提供的阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器，可以由两层导磁阻尼层2组成，如图1所示。也可以由多层导磁阻尼层2组成，如图2所示，导磁阻尼层2和导磁钢板1交替叠放在一起，导磁阻尼层2要夹在导磁钢板1中间。为了增加导磁阻尼层2中的磁感应强度，可以在阻尼器中增设独立钢板9，然后在独立钢板9四周缠绕线圈绕组4，如图3 所示。导磁阻尼层2、导磁钢板1和独立钢板9也要交替叠放在一起，叠放的顺序是：导磁钢板1→导磁阻尼层2→独立钢板9→导磁阻尼层2→导磁钢板1→导磁阻尼层2→独立钢板9→导磁阻尼层2→导磁钢板1。独立钢板9可以使用1块，也可以使用多块，直至达到需要的磁感应强度要求。
对于由多层导磁阻尼层组成的阻尼器，可以有下述两种结构形式：对于图2所示的阻尼器，其导磁钢板1全部都与插销连接，多层导磁阻尼层可以提供更大的阻尼。对于图3所示的阻尼器，其导磁钢板分为与插销连接的导磁钢板1和不与插销连接的独立钢板9，与插销连接的导磁钢板1可以和插销连接板5一起运动，让导磁阻尼层2产生相对位移。不与插销连接的独立钢板9可以在钢板四周增加缠绕线圈绕组4，这样就可以增大导磁阻尼层2中的磁感应强度，从而增加可控阻尼器中的最大阻尼力。
为了制造加工方便，与插销连接的导磁钢板1和导磁体3之间可以铸造成一个整体，如图4所示，然后再与插销连接板焊接或者螺栓连接。这样，所有磁组件都可以采用导磁材料制作，插销连接件可以采用非导磁材料制作，从而可以减小磁泄露，增加导磁阻尼层2中的磁感应强度。
所述导磁阻尼层2可以由磁流变弹性体组成，也可以在普通粘弹性材料或者磁流变弹性体材料中挖孔，然后灌入电流和/或磁流变液、羰基铁粉粒子、纯铁粒子组成，如图5所示。
所述磁流变弹性体是磁流变材料的一个新的分支。它是由天然橡胶或者硅橡胶基体和磁性颗粒组成，混合有磁性颗粒的橡胶在外加磁场作用下固化，利用磁流变效应（即磁性颗粒在磁场方向形成链状聚集结构）使颗粒在橡胶基体中形成有序结构。固化后的这种有序结构使磁流变弹性体的储能模量大大提高，当撤走外部磁场，材料的储能模量又恢复正常，即磁流变弹性体的力学性能可以由外加磁场来控制。我们应用磁流变弹性体来制作导磁阻尼层2，通过改变磁感应强度来控制磁流变弹性体的力学性能就可以调节可控阻尼器的阻尼力大小。
在普通粘弹性材料或者磁流变弹性体材料中挖孔，灌入电流和/或磁流变液、羰基铁粉粒子、纯铁粒子，不仅可以通过改变导磁阻尼层2中的磁感应强度来改变磁流变弹性体的储能模量，还可以改变电流和/或磁流变液的屈服剪应力和羰基铁粉粒子、纯铁粒子的摩擦剪应力，可以扩宽可控阻尼器的阻尼力可调范围。导磁阻尼层2中的孔可以根据需要为任意形状和任意数量，导磁阻尼层2中的孔需要上下对齐，保证磁路的畅通。
所述导磁钢板1、独立钢板9、导磁体3可以由导磁材料（硅钢、磁性合金、低碳钢）制成，也可以由硅钢片叠层制作。导磁钢板的厚度、宽度和长度都应该利用磁场有限元分析得出优化的几何尺寸，使得通过磁流变弹性体的磁感应强度达到最大。
所述控制器7可由下列单元组成：位移、加速度采集单元，它可将传感器的电信号转换成数字信号；嵌入式阻力控制单元，它可以根据控制算法来控制阻尼力大小；过压过流保护单元，它可以对整个控制器加以保护；PWM恒流功率放大单元，它可以保证控制器的稳定性。这四个单元依次以电信号相互连接。
所述传感器8的作用就是采集外部结构的振动响应，该传感器可以采用常规传感器，例如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、光学传感器等等。
下面简述本发明阻尼器的工作过程。
阻尼器通过插销连接件与需要增加阻尼的结构连接。首先，通过传感器8来感知结构在外部动力作用下的振动情况，传感器将动力响应信号输入至控制器7，该控制器会依据相应的控制策略发出控制信号来改变线圈绕组4中的电流，从而改变通过导磁阻尼层2的磁感应强度。这样，导磁阻尼层2的剪切模量也随着磁感应强度而改变，导致了阻尼器的阻尼力可以得到控制。

Claims (9)

1. 阻尼力智能可控的粘弹性阻尼器，其特征是一种自适应调节剪切刚度和阻尼的粘弹性阻尼器，该阻尼器主要由磁组件、控制器（7）和传感器（8）组成，其中：磁组件形成了完整的闭合磁回路，由线圈来提供磁能输入，通过改变线圈中的电流来改变磁回路中的磁感应强度大小；控制器（7）通过数据线分别与传感器（8）、磁组件的线圈绕组（4）相连。
2. 如权利要求1所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述磁组件由与插销连接板（5）相连的导磁钢板（1）、导磁阻尼层（2）、导磁体（3）、线圈绕组（4），以及不与插销连接板（5）相连的的具有导磁作用的独立钢板（9）组成。
3. 如权利要求2所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁钢板（1）、独立钢板（9）和导磁阻尼层（2）交替叠放在一起，线圈绕组（4）绕在导磁钢板（1）上。
4. 如权利要求3所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁阻尼层（2）采用两层以上结构。
5. 如权利要求4所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁阻尼层（2）由磁流变弹性体组成。
6. 如权利要求4所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁阻尼层（2）由以下结构组成：在普通粘弹性材料或者磁流变弹性体材料中挖孔，然后灌入电流和/或磁流变液、羰基铁粉粒子和纯铁粒子。
7. 如权利要求2所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁钢板（1）和插销连接板（5）一起运动，让导磁阻尼层（2）产生相对位移；在独立钢板（9）的四周缠绕线圈绕组（4），以增加导磁阻尼层（2）中的磁感应强度，从而增加所述阻尼器中的最大阻尼力。
8. 如权利要求7所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁钢板（1）、独立钢板（9）及导磁体（3）采用硅钢、磁性合金、低碳钢或纯铁制成，或采用硅钢片叠层制成。
9. 如权利要求2所述的粘弹性阻尼器，其特征在于所述导磁钢板（1）与导磁体（3）通过一次性铸造工艺形成一个整体，以方便所述粘弹性阻尼器的加工。
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