CN105863095A - 非线性弹簧能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性弹簧能量采集装置，包括悬臂梁、接触面、质量块和固定螺栓。接触面为具有一定变曲率的曲面，上下方向对称布置，该曲面的曲率沿着长度方向逐渐变化，悬臂梁根部的截面曲率为无穷大并沿其长度逐渐减小。悬臂梁位于上下两个接触面中间，在端部质量块等效荷载作用下会产生弯曲变形，之后悬臂梁与曲面就会立即接触，导致端部位移和荷载呈现非线性关系，产生非线性恢复力。同时变曲率接触面也提高了该非线性弹簧能量采集装置对不同激励谱的适应性和鲁棒性。

Description

非线性弹簧能量采集装置

技术领域

本发明涉及一种非线性弹簧能量采集装置，通过悬臂梁与接触曲面接触，端部位移和质量块等效荷载为非线性关系，产生非线性恢复力，类似于非线性弹簧能量采集装置，从而很好地将能量从主体结构的一个部件转移到另一个附加部件，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。

背景技术

采用一些技术手段可以将能量从结构的一个部件转移到另一个部件，例如从环境振动的能量采集，从外部荷载的能量采集和被动控制或力学不稳定性的抑制。尤其，能量采集是一个将周围环境中的能量转换为其他形式的能量（如电能）的过程。在周围环境中的能量往往具有分布在比较宽的频率范围。在人体中移植的用来监测微生物信号的传感器也采用能量收集装置。冲击吸收是保护承受外部作用的主结构的过程。它主要被应用于被动保护地震作用下的建筑或者受水冲击的海上平台。力学不稳定的被动控制在能量传递方面也有重要的应用。这样的例子包括桥梁的气弹性力不稳定性的抑制以及机翼气弹性力不稳定性的抑制。在上述的所有方法中，最终的目的就是如何设计原件，使其能够高效同时不可逆地转换能量。在一些典型的应用中（尤其是能量采集），周围环境中的振动主要可以用一个随机的、多频率的信号来描述，这种信号同时具有随时间变化的特征。然而传统的单自由线性振动采集装置只在当外部激励的频率与它们自振频率接近时才比较有效。因此，线性采集装置对这种具有不确定性的信号的效果不大。为了能够有效地吸收周围环境的振动，较强的鲁棒性对能量收集装置至关重要。

克服激励失谐的问题方法包含在设计系统中，这个设计系统不采用单个弹簧、线性弹簧系统、两自由度线性系统、线性连续系统以及非线性弹簧的控制理论。该振荡时没有弹簧贡献的设备不具备共振频率，反应的频率也与加速度信号频率相一致。具有线性弹簧的能量采集系统的性能（即峰值功率输出，适应性和耐用性，以不同的激励）可以通过使用控制策略来改变振荡的谐振频率得到改善，或者创造出一个具有两个及其以上自由度的线性系统来改善这一性能。然而这些装置的缺点是里面的控制装置要消耗采集的能量以及多自由度系统的体积大并且具有有限的稳定性的特点。采用非线性弹簧是另外一种方法。事实上这种本质上的非线性弹簧不具有卓越的线性频率。因此他们对外部的激励具有更好的鲁棒性，同时对更广泛的情况具有较好的适用性。三次多项式是这种非线性弹簧的最简单形式，采用三次方弹簧是通过在各种角度来支承校核质量的线性弹簧来实施的，这种设计的有效性已经通过对冲击激励的能量采集的应用得到证明。另一种来实现非线性行为的方式是采用多元线性组件，这些组件相互作用在变形时将得到增强。例如，在汽车的板簧中，几层弧形的弹簧被夹在一起。当上弧的中心变形时，它就会接触下面的弧，同时两个弹簧由于接触将发生进一步的变形。弧形板变形越大，弹簧变得越刚。非线性弹簧的另一种不同类型是那些具有负线性刚度的弹簧，通常具有双稳态构形特点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种非线性弹簧能量采集装置，以实现提高能量采集装置鲁棒性这一目标，通过利用力学非线性，使得目标能量在模态之间的转移得到实现。为了实现所期望的非线性，本发明在于使用在两个特定曲率的接触表面之间振荡的一个悬臂梁。对于能量收集的目的，这种所提出的设计在解析，数值和实验方面具有许多期望的性能。这些性能包括：（1）所得到的非线性弹簧具有可忽略的线性元件（2）它的非线性的阶次不再保持常数，而是随着振幅增加而增加（3）弹簧实现了有限的位移得到理论上无限大的力。最后一个性质是至关重要的，因为它允许装置对于适度振幅作为一个典型的非线性弹簧和对于较大振幅可以有效地表现为一个碰撞振动弹簧。最终利用悬臂梁在上下两个接触曲面之间振荡接触产生的非线性行为进行能量传递。本发明构造简单、能量传递效果好。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。

本发明提出的一种非线性弹簧能量采集装置，包括悬臂梁1、接触面2、质量块3和固定螺栓4，其中：所述接触面2由长方形和变曲率的曲面连成一体，两个接触面２上下对称布置，且两个接触面2的变曲率的曲面相对布置；所述悬臂梁1为一钢板条，悬臂梁1的端部固定有质量块3，根部固定于两个接触面２的长方形之间，所述两个接触面２通过固定螺栓４固定于结构构件上；当结构构件振动时就会带动悬臂梁的端部质量块上下振荡，产生弯曲变形，之后立即与接触面的曲面产生接触，悬臂梁1的端部变形和端部施加的等效外荷载就会呈现非线性关系，产生非线性恢复力，类似于一种非线性弹簧能量采集装置；同时接触面的曲面上下对称布置，当质量块振荡方向朝上时，悬臂梁与位于上方的接触面的曲面接触产生非线性恢复力，当质量块振荡方向朝下时，悬臂梁与位于下方的接触面的曲面接触产生非线性恢复力。

本发明中，所述接触面2的曲面部分的曲率沿着长度方向逐渐变化，靠近悬臂梁根部处的接触面２的截面曲率为无穷大并沿其长度逐渐减小，也即接触面的曲面空间函数的二阶导数在悬臂梁１的根部等于零，同时沿着悬臂梁长逐步增大。

本发明中，所述悬臂梁1不与接触面2的曲面接触时，端部位移和外荷载为线性关系，类似于线性弹簧；所述悬臂梁1与接触面2的曲面接触时，端部位移和外荷载为非线性关系，类似于非线性弹簧。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明中采用的接触面的根部的截面曲率为无穷大并沿其长度逐渐减小。当结构构件振动时就会带动悬臂梁端部质量块上下振荡，产生弯曲变形，之后立即与曲面产生接触，产生非线性恢复力。这种非线性的阶次随着位移的增加而增加，当达到临界有限位移时，这个性质将导致弹簧力在理论上趋于无穷大，从而起到保护极端荷载下弹簧的作用。同时变曲率接触面也提高了该非线性弹簧能量采集装置对不同激励谱的适应性和鲁棒性。

2）本发明中采用的接触面上下对称布置，这样当质量块振荡方向朝上时悬臂梁与上曲面接触产生非线性恢复力，当质量块振荡方向朝下时悬臂梁与下曲面接触产生非线性恢复力。这种非线性机制具有良好的力学性能以及能够抵抗极高的荷载的鲁棒性，可以很好地进行能量传递。

3）本发明构造形式简单，可以根据基本结构的特点使该非线性弹簧能量采集装置布置位置更为灵活，适用于不同部位的能量采集。

附图说明

图1为本发明非线性弹簧能量采集装置正立面图；

图中标号：1为悬臂梁、2为接触面、3为质量块、4为固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：如图1所示，为本发明的一种非线性弹簧能量采集装置实施实例，其主要包括悬臂梁1、接触面2、质量块3和固定螺栓4。

该能量采集装置通过固定螺栓4固定在结构构件上，悬臂梁1为一钢板条，悬臂梁1端部固定有质量块3，悬臂梁1根部一段距离与上下接触面固接在一起避免产生摩擦滑动。悬臂梁1其余长度部分与上下接触面分离。当端部质量块上下震荡时可以在上下接触曲面之间产生弯曲变形，同时与上下曲面接触。接触面2上下对称布置，该曲面的曲率沿着长度方向逐渐变化，悬臂梁根部的截面曲率为无穷大并沿其长度逐渐减小，也即曲面空间函数的二阶导数在悬臂梁的根部等于零，同时沿着梁长逐步增大。当结构构件振动时就会带动悬臂梁端部质量块上下振荡，产生弯曲变形，之后立即与曲面产生接触，这样悬臂梁与接触曲面就会产生非线性恢复力，类似于一种非线性弹簧装置。同时接触曲面上下对称布置，这样当质量块振荡方向朝上时悬臂梁与上曲面接触产生非线性恢复力，当质量块振荡方向朝下时悬臂梁与下曲面接触产生非线性恢复力。这种非线性机制具有良好的力学性能以及能够抵抗极高的荷载的鲁棒性，可以很好地进行能量传递。

Claims (3)

1.一种非线性弹簧能量采集装置，包括悬臂梁（1）、接触面（2）、质量块（3）和固定螺栓（4），其特征在于：所述接触面（2）由长方形和变曲率的曲面连成一体，两个接触面（２）上下对称布置，且两个接触面（2）的变曲率的曲面相对布置；所述悬臂梁（1）为一钢板条，悬臂梁（1）的端部固定有质量块（3），根部固定于两个接触面（２）的长方形之间，所述两个接触面（２）通过固定螺栓（４）固定于结构构件上；当结构构件振动时就会带动悬臂梁的端部质量块上下振荡，产生弯曲变形，之后立即与接触面的曲面产生接触，悬臂梁（1）的端部变形和端部施加的等效外荷载就会呈现非线性关系，产生非线性恢复力，类似于一种非线性弹簧能量采集装置；同时接触面的曲面上下对称布置，当质量块振荡方向朝上时，悬臂梁与位于上方的接触面的曲面接触产生非线性恢复力，当质量块振荡方向朝下时，悬臂梁与位于下方的接触面的曲面接触产生非线性恢复力。

2.根据权利要求1所述的非线性弹簧能量采集装置，其特征在于：所述接触面（2）的曲面部分的曲率沿着长度方向逐渐变化，靠近悬臂梁根部处的接触面（２）的截面曲率为无穷大并沿其长度逐渐减小，也即接触面的曲面空间函数的二阶导数在悬臂梁（１）的根部等于零，同时沿着悬臂梁长逐步增大。

3.根据权利要求1所述的非线性弹簧能量采集装置，其特征在于：所述悬臂梁（1）不与接触面（2）的曲面接触时，端部位移和外荷载为线性关系，类似于线性弹簧；所述悬臂梁（1）与接触面（2）的曲面接触时，端部位移和外荷载为非线性关系，类似于非线性弹簧。