CN105780958A - 一种stf和mrf组合式抗冲减振耗能阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其包括外套筒、内套筒、芯柱、上连接件和下连接件，所述内套筒位于所述外套筒内，所述芯柱位于所述内套筒内；所述上连接件与所述内套筒的上部连接并伸出于外套筒；所述芯柱依次穿过所述内套筒、外套筒伸出于外套筒，与所述下连接件连接；所述外套筒与内套筒之间填充有磁流变液体，所述外套筒的内壁设有通电线圈，所述内套筒的内部填充有剪切增稠液体。采用本发明的技术方案，综合了STF和MRF两者的优点，使两者发生协同作用，具有优良的阻尼器力学特性；结构简单，安装拆卸方便，并完全实现自复位，解决了传统阻尼器在应用中需要大量连接件和施工不便的难题。

Description

一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器
技术领域
本发明属于工程结构振动控制技术领域，尤其涉及一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器。
背景技术
自然环境中存在多种动荷载，如地震、爆炸、浮冰或轮船撞击、碰撞、强风以及冰荷载等。依据荷载变化的快慢不同，这些动荷载可分为周期性荷载、随机荷载以及冲击荷载。工程结构在实际环境中，这些动荷载及其组合往往对其造成大幅振动甚至破坏。因此，复杂荷载环境下的工程结构振动控制问题尤为重要。
MRF(MagnetorheologicalFluid，磁流变液体)是一种性能优良的智能材料，在磁场的作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服能力较高的Bingham塑性流体，且这种转变连续可逆。MRF阻尼器是应用磁流变液体在强磁场下的快速可逆流变特性而制造的一种新型振动控制装置，具有结构简单、相变快、阻尼力连续可调等优点。但是，单一的MRF阻尼器所提供的阻尼力和初始刚度比较有限，且在快速冲击荷载作用下，MRF阻尼器还存在响应时间问题。同时，MRF阻尼器在零电流状态下阻尼通道处磁感应强度为零，因而当其在该状态下用于结构的被动控制时出力过小，控制效果并不理想，即故障安全性能不佳。
相比MRF，STF(Shearthickeningfluid，剪切增稠流体)也是一种性能优良的智能材料，不同的是STF特性取决于其剪切应变率，在承受高应变率荷载时，接触界面的表观粘度发生巨大变化，甚至由液相转变为固相，即发生剪切增稠行为，此时，STF的剪切模量远大于其初始的剪切模量。重要的是，当荷载撤销时，STF能瞬时由固相转变为液相，即这种变化是可逆的。STF阻尼器就是利用STF的剪切增稠特性保护主体结构抵抗冲击荷载响应，但是，STF阻尼器在低速振动下，其阻尼力和刚度由于STF没有发生剪切增稠行为，因此其控制效果不理想。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，充分利用STF和MRF的耗能机制，开发了一种恢复力大、适用荷载范围广、构造简单的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，解决了现有单一MRF阻尼器的阻尼力和初始刚度不够理想的问题，安全性能不佳，适用荷载范围有限等问题；以及STF阻尼器在低速振动下的控制效果不理想的问题。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其包括外套筒、内套筒、芯柱、上连接件和下连接件，所述内套筒位于所述外套筒内，所述芯柱位于所述内套筒内；所述上连接件与所述内套筒的上部连接并伸出于外套筒；所述芯柱依次穿过所述内套筒、外套筒伸出于外套筒，与所述下连接件连接；所述外套筒与内套筒之间填充有磁流变液体，所述外套筒的内壁设有通电线圈，所述内套筒的内部填充有剪切增稠液体。其中，所述通电线圈通过导线与外界电源连接。
采用此技术方案，内套筒与芯柱之间充满MRF，其在通电线圈产生的磁场作用下能瞬间转换成固态产生阻尼力，当内套筒振动速度较低，但幅值较大时，通过改变通电线圈的电流从而改变外加磁场使MRF产生阻尼力，从而实现工程结构减振耗能；外套筒与内套筒之间充满STF，当内套筒瞬时振动速度较大时，STF发生剪切增稠行为产生阻尼力，从而实现工程结构抗冲隔振；内套筒沿着芯柱和外套筒上下振动，使STF和MRF分别受到挤压，从而产生协同作用，产生更大的阻尼力。
此技术方案采用与剪应变率敏感、剪切模量大且瞬时可逆的STF作为阻尼器抗冲隔振主体，当内套筒瞬时振动速度较大时，STF发生剪切增稠行为产生阻尼力，从而实现工程结构抗冲隔振；采用与外加磁场变化敏感、阻尼力连续可调的MRF作为阻尼器减振耗能主体，当内套筒振动速度较低，但幅值较大时，通过改变通电线圈的电流，从而改变外加磁场使MRF产生阻尼力，从而实现工程结构减振耗能。该阻尼器是将STF和MRF以内套筒为间隔共同作为耗能介质，无论在冲击荷载作用还是低速振动下，阻尼器能通过工程结构的振动状态智能地提供其刚度和阻尼，从而保障工程结构安全。
其中，内套筒与芯柱的间隙大小不受制造工艺限制，仅依据STF特性和内套筒振动而设置。
作为本发明的进一步改进，所述芯柱的下部设有芯柱连接端，所述芯柱连接端依次穿过所述内套筒、外套筒并伸出于外套筒。
作为本发明的进一步改进，所述内套筒的上部设有与所述上连接件配合的连接通道，所述连接通道穿过所述外套筒并伸出。
作为本发明的进一步改进，所述外套筒为空心的圆柱体，所述外套筒的上端面设有供连接通道穿过的上开口、所述外套筒的下端面设有供芯柱连接端穿过的下开口。
作为本发明的进一步改进，所述内套筒为空心的圆柱体，所述内套筒的下端面设有供芯柱连接端穿过的内开口。
作为本发明的进一步改进，所述上开口与连接通道之间设有密封件。
作为本发明的进一步改进，所述下开口与芯柱连接端之间设有密封件。
作为本发明的进一步改进，所述内开口与芯柱连接端之间设有密封件。
作为本发明的进一步改进，所述内套筒与芯柱之间的最小间隙为0.3-2mm。
作为本发明的进一步改进，所述芯柱为铁芯柱。
作为本发明的进一步改进，所述芯柱的外径大于所述下连接件的外径或宽度。
作为本发明的进一步改进，所述通电线圈的高度与所述内套筒的高度相同。
作为本发明的进一步改进，所述芯柱内部为蜂窝状。优选的，所述芯柱内部为多孔状或多环式。采用此技术方案，可形成更大的阻尼力。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
第一，采用本发明的技术方案，综合了STF和MRF两者的优点，具有优良的阻尼器力学特性和显著的抗冲减振效果；解决了现有单一MRF阻尼器的阻尼力和初始刚度不够理想的问题，尤其是在冲击荷载作用下。由于采用STF和MRF共同作为阻尼器耗能介质，两者发生协同作用，只需要一个阻尼器即可获得更大的阻尼力和刚度。
第二，采用本发明的技术方案，适应荷载范围广，对于快速冲击荷载，阻尼器中的STF由于其剪切增稠特性可缓减或隔离其被保护结构的冲击振动力(能量)；同时，对于低速荷载，阻尼器中的MRF在通电线圈的电流产生的磁场作用下可产生连续阻尼力从而抑制被保护结构的振动位移。
第三，采用本发明的技术方案，该阻尼器结构简单，无须大量连接件，安装拆卸方便，并完全实现自复位，解决了传统阻尼器在应用中需要大量连接件和施工不便的难题。
附图说明
图1是本发明一种实施例的剖面结构示意图。
图2是图1的A-A向剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其包括外套筒1、内套筒2、芯柱3、上连接件4和下连接件5，所述内套筒2位于所述外套筒1内，所述芯柱3位于所述内套筒2内。所述外套筒1与内套筒2之间填充有磁流变液体6，所述外套筒1的内壁设有通电线圈7，所述内套筒2的内部填充有剪切增稠液体8，即内套筒2与芯柱3之间填充有剪切增稠液体8。其中，所述通电线圈8通过导线与外界电源连接。所述芯柱3的下部设有芯柱连接端31，所述芯柱连接端31依次穿过所述内套筒2、外套筒1伸出于外套筒1之外。所述内套筒2的上部设有与所述上连接件4配合的连接通道21，所述连接通道21穿过所述外套筒1并伸出于外套筒1之外，所述上连接件4与连接通道21相互配合连接。所述外套筒1为空心的圆柱体，所述外套筒1的上表面设有供连接通道21穿过的上开口11、所述外套筒1的下表面设有供芯柱连接端31穿过的下开口12。所述内套筒2为空心的圆柱体，所述内套筒2的下表面设有供芯柱连接端31穿过的内开口22。所述芯柱3为铁芯柱。所述内套筒2与芯柱3之间的最小间隙为0.3-2mm。所述芯柱3的外径大于所述下连接件5的外径或宽度。所述通电线圈7的高度与所述内套筒2的高度相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：其包括外套筒、内套筒、芯柱、上连接件和下连接件，所述内套筒位于所述外套筒内，所述芯柱位于所述内套筒内；所述上连接件与所述内套筒的上部连接并伸出于外套筒；所述芯柱依次穿过所述内套筒、外套筒伸出于外套筒，与所述下连接件连接；所述外套筒与内套筒之间填充有磁流变液体，所述外套筒的内壁设有通电线圈，所述内套筒的内部填充有剪切增稠液体。
2.根据权利要求1所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述芯柱的下部设有芯柱连接端，所述芯柱连接端依次穿过所述内套筒、外套筒并伸出于外套筒。
3.根据权利要求2所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述内套筒的上部设有与所述上连接件配合的连接通道，所述连接通道穿过所述外套筒并伸出。
4.根据权利要求3所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述外套筒为空心的圆柱体，所述外套筒的上端面设有供连接通道穿过的上开口、所述外套筒的下端面设有供芯柱连接端穿过的下开口。
5.根据权利要求4所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述内套筒为空心的圆柱体，所述内套筒的下端面设有供芯柱连接端穿过的内开口。
6.根据权利要求5所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述上开口与连接通道之间设有密封件；所述下开口与芯柱连接端之间设有密封件；所述内开口与芯柱连接端之间设有密封件。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述内套筒与芯柱之间的最小间隙为0.3-2mm。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述芯柱的外径大于所述下连接件的外径或宽度。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器，其特征在于：所述通电线圈的高度与所述内套筒的高度相同。
10.一种采用如权利要求1-9任意一项所述的STF和MRF组合式抗冲减振耗能阻尼器进行抗冲减振的方法，其特征在于：所述磁流变液体在通电线圈产生的磁场作用下转换成固态产生阻尼力，实现工程结构减振耗能；当内套筒瞬时振动时，所述剪切增稠液体发生剪切增稠行为产生阻尼力，实现工程结构抗冲隔振；所述内套筒沿着芯柱和外套筒上下振动，使STF和MRF分别受到挤压，从而产生协同作用，产生阻尼力。
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