CN107559376A - 一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可动附加质量诱导变模态特性的减振方法，步骤如下，S1，获取类似梁结构的外界激励频率或激励频带。S2，获取类似梁结构的多阶模态。S3，选取类似梁结构的特定阶模态。S4，计算特定阶模态的模态振型节点和极值点。S5，初步确定质量块的质量。S6，通过试验确定质量块的质量。S7，根据模态振型节点和极值点求取基座梁的长度。S8，将减振装置安装在类似梁结构上。以及一种减振装置，包括质量块、连接元件、螺钉和基座梁，质量块通过磁性吸附在连接元件上，连接元件与基座梁通过磁力刚性连接；基座梁通过螺钉安装在类似梁结构上。本发明具有普适性且质量块的质量和安装位置可调、可改变梁结构多模态频率，因此具有多模态振动抑制特性。

Description

一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置与方法

技术领域

本发明属于结构减振技术领域，具体涉及一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置与方法，通过调控模态达到对类似梁结构振动控制。

背景技术

结构工程中普遍存在类似梁结构，如类似悬臂梁的机械臂、类似简支梁或类似固支梁。这些梁结构有时避免不了的受到特定频带扰动而产生大幅振动，振动将导致结构的次生故障。目前，针对梁结构振动问题，多采用减振装置，有主动减振、半主动减振和被动减振。由于被动减振装置结构简单、成本低，已有较多关注。这些被动减振器的共同特点为改变结构模态方式解决或减弱振动，即通过改变原始结构的模态频率，使其远离激励源频率（模态匹配），或通过共振的形式，采用调谐质量减振器消耗原始结构的振动能量（共振吸能）。

针对梁结构的减振器也有不少文献或专利。如中国专利200710074703.9公开了一种汽车副车架上的减振吸能装置及其方法，其利用共振吸能的原理进行减振吸能，它包括质量块、弹性体，将连接弹性体的质量块放置于一阶弯曲模态对应的最大位移处，并可通过调节质量块的质量和弹性体阻尼来调节减振吸能装置的频率。然而，它的适用性不强。

发明内容

本发明要解决的是现有梁结构由于未周全考虑环境的激励因素，或梁结构局部约束导致的激励，致使梁结构的激励频率集中在某一个共振频带内或多个共振频带内（模态频率不匹配），导致梁结构产生共振引起剧烈振动的问题；或是梁结构无法避免的在某个频带内处于长时间工作状态，激励频率引起的梁结构某阶模态发生共振引起的剧烈振动问题，从而提供一种适用于梁结构的可动附加质量诱导变模态特性的减振装置与方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种可动附加质量诱导变模态特性的减振方法，步骤如下，S1，获取作用在类似梁结构上的外界激励频率或激励频带。

S2，获取类似梁结构的多阶模态，包括模态振型和模态频率。获得梁结构模态的方式有实验、有限元、理论计算等。

S3，从步骤S2中选取引起类似梁结构共振的特定阶模态。

S4，计算特定阶模态的模态振型节点和极值点。

S5，初步确定减振装置中质量块的质量。

具体步骤为，S5.1，获得类似梁结构模态频率要改变的幅度H 。

S5.2，根据附加质量、模态频率、模态振型的关系规律求取附加质量影响系数 f。

附加质量对梁结构某阶模态频率的影响取决于附加质量所在位置的模态振型值与梁结构不变形位置的距离，距离越大，模态频率受到附加质量的影响越大。

S5.3，结合步骤S5.1和步骤S5.2计算质量块的质量M，计算公式为 H=f*M。

S6，通过试验确定质量块的质量。

将步骤S5中的质量块安装到类似梁结构的模态振型极值点的最大值处，进行试验，并比较模态频率改变幅度的实时值A与幅度H，若实时值A不等于幅度H，则改变质量块的质量直至实时值A等于幅度H。

梁结构模态的改变，可以通过附加质量大小和附加质量作用位置进行。

S7，根据模态振型节点和极值点求取基座梁的长度。

计算公式为：；其中，L_J为基座梁的长度，L_j为模态振型极值点的梁长坐标，L₀为模态振型节点的梁长坐标。

S8，将步骤S6中的质量块安装到步骤S7中的基座梁上，并通过基座梁将减振装置安装在类似梁结构上部或下部或侧部。通过减振装置中的质量块改变类似梁结构模态频率，达到消除共振减小振动幅值的目的。

一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，包括质量块、连接元件、螺钉和基座梁，质量块通过磁性吸附在连接元件上，连接元件与基座梁通过磁力刚性连接；基座梁通过螺钉安装在类似梁结构上。

所述质量块为钢铁材料制成的成中心对称结构，且质量块具有至少一个平面；所述连接元件为磁铁材料制成的，且连接元件至少有两个平面，分别为上平面Ⅰ和下平面Ⅰ，上平面Ⅰ与质量块的平面磁性吸附连接；下平面Ⅰ与基座梁的上平面Ⅱ磁力刚性连接；所述基座梁为钢铁材料制成，且至少有两个平面，分别为上平面Ⅱ和下平面Ⅱ，上平面Ⅱ与下平面Ⅰ刚性连接；下平面Ⅱ与类似梁结构连接。

所述连接元件的磁力由质量块的质量大小和梁结构或类梁结构的振动大小决定，可限制质量块在振动中不脱落，且限制振动中不与基座梁分离。

所述基座梁的轴线与类似梁结构的轴线平行，所述质量块沿基座梁的轴线方向移动，具有模态调控特性。如调节悬臂梁的第1阶模态频率，可将质量块放置于悬臂梁根部，则悬臂梁第1阶模态频率不受质量块影响，将质量块放置于悬臂梁端部，则悬臂梁第1阶模态频率将受到质量块最大程度影响；如将质量块放置于悬臂梁根部至端部的任意位置，则悬臂梁第1阶模态频率受到的影响介于前两者之间，同时也可调节其它阶模态频率；这些特性也适用于简支梁或固支梁模态频率调节。

质量块可以改变质量，即质量可调，根据被减振类似梁结构需要改变的模态频率幅值选择质量块质量；依据被减振梁结构的某阶模态频率，结合此阶模态振型，将质量块放置于此阶振型的节点处，此阶模态频率受到的影响最小，若将质量块放置于此阶模态振型值极大值位置处，则此阶模态频率改变较大或最大，以此方法，可调节梁结构的任意阶模态频率及其幅值。

基座梁通过螺钉与被减振的梁结构任意部位或方位固定连接，如水平置于被减振的梁结构上部、水平置于被减振的梁结构下部、垂直或倾斜置于被减振的梁结构侧面。

所述基座梁的重量以不影响类似梁结构的模态参数为标准或其强度能够承受减振装置与类似梁结构的连接力，基座梁的长度以控制类似梁结构特定阶模态频率的幅值为标准或依据所控制的特定阶模态振型节点与极值点的长度。若仅需抑制悬臂梁结构第一阶模态，则基座梁可仅置于悬臂梁端部即可，若仅需抑制简支梁第一阶模态，则基座梁可仅置于简支梁中间部位即可；若对所有阶模态进行抑制，则基座梁长度需沿被减振梁的轴向长度分布决定。

所述的类似梁结构是能够螺栓紧固的类似梁结构，包括钢材质的类似梁结构、铁材质的类似梁结构、铝质的类似梁结构、铜质的类似梁结构和木质的类似梁结构等其他不同材质的梁结构。

本发明是基于模态频率匹配的原理，利用附加质量、模态频率和模态振型关系规律设计的减振装置，适用于抑制被减振的梁结构横向（垂直于梁长方向）振动。且本发明针对梁结构振动抑制具有普适性应用。本发明同时具有附加质量可调、附加质量作用位置可调，可改变梁结构多模态频率，因此具有多模态振动抑制特性。另外，可以适用于金属或非金属的梁结构，安装位置可放置在梁结构上部、下部和侧部。当梁结构受到外界单个窄带频率或多个窄带频率激励时，引起梁结构的共振，针对此问题，在不改变原有结构的基础上，采用本装置放置于梁结构特定位置，即可改变梁结构的模态频率，使模态频率远离外界激励频带，达到结构与结构的模态频率匹配或结构与激励源的模态频率匹配，因此可达到振动抑制的效果。其中特定位置的确定根据附加质量对模态频率的影响与模态振型有关的规律进行确定；例如在一个窄带外界激励中，引起梁结构某阶模态的共振，则根据梁结构此阶模态频率的变化幅值确定出附加质量，进而将附加质量放置于此阶模态振型的节点和与此节点相临的振型极值之间，即可在一定范围内调节此阶模态的频率，以达到模态频率的匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明减振装置的结构示意图一。

图2为本发明减振装置的结构示意图二。

图3为本发明质量块及其作用位置、模态频率和模态振型的关系规律图。

图4为本发明减振装置在类似悬臂梁结构中的安装应用图。

图中标号说明如下：

1、质量块；2、连接元件；3、螺钉；4、基座梁；5、悬臂梁被减振结构；6、悬臂梁承载的物体；7、基体或悬臂梁相关联的连接构件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种可动附加质量诱导变模态特性的减振方法，步骤如下，S1，获取作用在类似梁结构上的外界激励频率或激励频带。

S2，获取类似梁结构的多阶模态，包括模态振型和模态频率。获得梁结构模态的方式有实验、有限元、理论计算等。

S3，从步骤S2中选取引起类似梁结构共振的特定阶模态。

S4，计算特定阶模态的模态振型节点和极值点。

S5，初步确定减振装置中质量块的质量。

具体步骤为，S5.1，获得类似梁结构模态频率要改变的幅度H。

S5.2，根据附加质量、模态频率、模态振型的关系规律求取附加质量影响系数 f。附加质量对梁结构某阶模态频率的影响取决于附加质量所在位置的模态振型值与梁结构不变形位置的距离，距离越大，模态频率受到附加质量的影响越大。

S5.3，结合步骤S5.1和步骤S5.2计算质量块的质量M，计算公式为H=f*M。

S6，通过试验确定质量块的质量。

将步骤S5中的质量块安装到类似梁结构的模态振型极值点的最大值处，进行试验，并比较模态频率改变幅度的实时值A与幅度H，若实时值A不等于幅度H，则改变质量块的质量直至实时值A等于幅度H。

梁结构模态的改变，可以通过附加质量大小和附加质量作用位置进行。

S7，根据模态振型节点和极值点求取基座梁的长度。

计算公式为：；其中，L_J为基座梁的长度， L_j为模态振型极值点的梁长坐标， L₀为模态振型节点的梁长坐标。

S8，将步骤S6中的质量块安装到步骤S7中的基座梁上，并通过基座梁将减振装置安装在类似梁结构上部或下部或侧部。通过减振装置中的质量块改变类似梁结构模态频率，达到消除共振减小振动幅值的目的。

一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，如图1-2所示，包括质量块1、连接元件2、螺钉3和基座梁4，质量块1通过磁性吸附在连接元件2上，且所述质量块1为钢铁材料制成的成中心对称结构，且质量块1具有至少一个平面。

质量块可以改变质量，即质量可调，根据被减振类似梁结构需要改变的模态频率幅值选择质量块质量；依据被减振梁结构的某阶模态频率，结合此阶模态振型，将质量块放置于此阶振型的节点处，此阶模态频率受到的影响最小，若将质量块放置于此阶模态振型值极大值位置处，则此阶模态频率改变较大或最大，以此方法，可调节梁结构的任意阶模态频率及其幅值。

连接元件2与基座梁4通过磁力刚性连接。所述连接元件2为磁铁材料制成的，且连接元件2至少有两个平面，分别为上平面Ⅰ和下平面Ⅰ，上平面Ⅰ与质量块1的平面磁性吸附连接；下平面Ⅰ与基座梁4的上平面Ⅱ磁力刚性连接。且所述连接元件2的磁力由质量块1的质量大小和梁结构或类梁结构的振动大小决定，可限制质量块在振动中不脱落，且限制振动中不与基座梁分离。

基座梁4通过螺钉3安装在类似梁结构上。所述的类似梁结构是能够螺栓紧固的类似梁结构，包括钢材质的类似梁结构、铁材质的类似梁结构、铝质的类似梁结构、铜质的类似梁结构和木质的类似梁结构等其他不同材质的梁结构。

所述基座梁4为钢铁材料制成，且至少有两个平面，分别为上平面Ⅱ和下平面Ⅱ，上平面Ⅱ与下平面Ⅰ刚性连接；下平面Ⅱ与类似梁结构连接。

所述基座梁4的轴线与类似梁结构的轴线平行，所述质量块1沿基座梁4的轴线方向移动，具有模态调控特性。如调节悬臂梁的第1阶模态频率，可将质量块放置于悬臂梁根部，则悬臂梁第1阶模态频率不受质量块影响，将质量块放置于悬臂梁端部，则悬臂梁第1阶模态频率将受到质量块最大程度影响；如将质量块放置于悬臂梁根部至端部的任意位置，则悬臂梁第1阶模态频率受到的影响介于前两者之间，同时也可调节其它阶模态频率；这些特性也适用于简支梁或固支梁模态频率调节。

本减振装置通过基座梁4和螺钉3与被减振的梁结构任意部位或方位固定连接，如水平置于被减振的梁结构上部、水平置于被减振的梁结构下部、垂直或倾斜置于被减振的梁结构侧面。

所述基座梁4的重量以不影响类似梁结构的模态参数为标准或其强度能够承受减振装置与类似梁结构的连接力，基座梁4的长度以控制类似梁结构特定阶模态频率的幅值为标准或依据所控制的特定阶模态振型节点与极值点的长度。若仅需抑制悬臂梁结构第一阶模态，则基座梁可仅置于悬臂梁端部即可，若仅需抑制简支梁第一阶模态，则基座梁可仅置于简支梁中间部位即可；若对所有阶模态进行抑制，则基座梁长度需沿被减振梁的轴向长度分布决定。

下面以一个具体事例对本发明进一步说明。

以一个类似悬臂梁的结构为例，类似悬臂梁结构如图4所示。5、悬臂梁被减振结构；6、悬臂梁承载的物体；7、基体或悬臂梁相关联的连接构件。

针对一个类似悬臂梁结构出现特定频率共振（模态不匹配即图4中的悬臂梁被减振结构5与激励频率或图4中的基体或悬臂梁相关联的连接构件7模态不匹配）现象，这种特定频率有可能来源于激励，也有可能来源于接触构件的振动传递。

悬臂梁上部的悬臂梁承载的物体6有可能是仪器或其它器件，因此减振装置可放置于悬臂梁下表面或轴长方向的侧表面。针对图4给出的示例，梁结构上部具有所属物体，因此可将减振装置放置于梁的下部。以减振装置放置悬臂梁的下表面为例进行讲述实施方式。

1）针对类似悬臂梁结构，获得外界激励的频率，以及激励频率附近的模态等信息，其目的是找到产生大幅振动现象的结构振动特性与外界能量输入的关系。

2）进行模态实验，获得所关注的结构模态频率和模态振型，如获得第1阶、第2阶、…第n阶模态频率和模态振型；一般来说低阶模态参与结构振动响应的比例较大，往往关注前几阶模态即可，如前5阶或前10阶模态。

3）找出所关注的每阶模态振型节点（不变点）和振型极值点与模态试验测点的位置关系。

4）针对环境激励或外部激励频率或频带范围，确定出引起共振的悬臂梁结构特定阶模态。

5）针对特定阶模态，依据想要改变的模态频率大小与幅值，选择质量块大小和确定发明装置放置的位置；一般情况，减振装置放置的位置分布于特定阶模态振型节点和振型极值点之间的范围。

因为梁结构模态的改变，可以通过附加质量大小和附加质量作用位置进行。比如想要改变悬臂梁结构第一阶模态频率，将一附加质量m1放置于梁的中间位置可达到改变的效果。还可将一附加质量m2（m2<m1）放置于梁中间到梁自由端的某个位置也可达到效果。这也就是附加质量与作用位置共同影响模态频率。

或者这样解释，附加质量为m1，当m1的作用位置从悬臂梁固定端向自由端移动，悬臂梁第一阶模态频率的改变幅度由0到5％或由0到15％，甚至改变更高，这个幅度取决于附加质量的大小。其中，固定端为第一阶模态的节点设O1点，自由端为第一阶模态振型极值点M1点，附加质量在节点到振型极值点的距离（O1到M1的距离）均可作为附加质量的安装点（只不过改变的频率幅度不同）。

6）以上为依据减振方法，即质量块与模态频率和模态振型的关系规律，如图3所示，将减振装置安装于被减振结构；例如，悬臂梁第一阶模态与激励频率或外界输入发生了模态不匹配而引起大幅振动，由于质量块对悬臂梁第一阶模态频率的影响取决于第一阶模态振型值与不变形位置的距离，结合悬臂梁第一阶模态振型的特点，减振装置应均布于悬臂梁第一阶模态振型节点和振型极值点之间的范围，悬臂梁第一阶模态振型节点为悬臂梁固定端，悬臂梁第一阶模态振型值最大点为悬臂梁端部，因此针对悬臂梁第一阶模态大幅运动的问题，减振装置应均布于整个悬臂梁以实现对悬臂梁模态的调控，解决模态不匹配的现象，消除悬臂梁大幅运动的现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可动附加质量诱导变模态特性的减振方法，其特征在于：步骤如下，S1，获取作用在类似梁结构上的外界激励频率或激励频带；

S2，获取类似梁结构的多阶模态，包括模态振型和模态频率；

S3，从步骤S2中选取引起类似梁结构共振的特定阶模态；

S4，计算特定阶模态的模态振型节点和极值点；

S5，初步确定减振装置中质量块的质量；

S6，通过试验确定质量块的质量；

将步骤S5中的质量块安装到类似梁结构的模态振型极值点的最大值处，进行试验，并比较模态频率改变幅度的实时值A与幅度H，若实时值A不等于幅度H，则改变质量块的质量直至实时值A等于幅度H；

S7，根据模态振型节点和极值点求取基座梁的长度；

计算公式为：；

其中，L_J为基座梁的长度，L_j为模态振型极值点的梁长坐标，L₀为模态振型节点的梁长坐标；

S8，将步骤S6中的质量块安装到步骤S7中的基座梁上，并通过基座梁将减振装置安装在类似梁结构上部或下部或侧部。

2.根据权利要求1所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振方法，其特征在于：在步骤S5中，具体步骤为，S5.1，获得类似梁结构模态频率要改变的幅度H；

S5.2，根据附加质量、模态频率、模态振型的关系规律求取附加质量影响系数f；

S5.3，结合步骤S5.1和步骤S5.2计算质量块的质量M，计算公式为H=f*M。

3.根据权利要求1所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，其特征在于：包括质量块（1）、连接元件（2）、螺钉（3）和基座梁（4），质量块（1）通过磁性吸附在连接元件（2）上，连接元件（2）与基座梁（4）通过磁力刚性连接；基座梁（4）通过螺钉（3）安装在类似梁结构上。

4.根据权利要求3所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，其特征在于：所述质量块（1）为钢铁材料制成的成中心对称结构，且质量块（1）具有至少一个平面；所述连接元件（2）为磁铁材料制成的，且连接元件（2）至少有两个平面，分别为上平面Ⅰ和下平面Ⅰ，上平面Ⅰ与质量块（1）的平面磁性吸附连接；下平面Ⅰ与基座梁（4）的上平面Ⅱ磁力刚性连接；所述基座梁（4）为钢铁材料制成，且至少有两个平面，分别为上平面Ⅱ和下平面Ⅱ，上平面Ⅱ与下平面Ⅰ刚性连接；下平面Ⅱ与类似梁结构连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，其特征在于：所述基座梁（4）的轴线与类似梁结构的轴线平行，所述质量块（1）沿基座梁（4）的轴线方向移动，具有模态调控特性。

6.根据权利要求3或4所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，其特征在于：质量块（1）质量可调，根据被减振梁结构需要改变的模态频率幅值选择质量块质量。

7.根据权利要求3或4所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置与方法，其特征在于：所述基座梁（4）的重量以不影响类似梁结构的模态参数为标准或其强度能够承受减振装置与类似梁结构的连接力，基座梁（4）的长度以控制类似梁结构特定阶模态频率的幅值为标准或依据所控制的特定阶模态振型节点与极值点的长度。

8.根据权利要求3所述的一种可动附加质量诱导变模态特性的减振装置，其特征在于：所述的类似梁结构是能够螺栓紧固的类似梁结构，包括钢材质的类似梁结构、铁材质的类似梁结构、铝质的类似梁结构、铜质的类似梁结构和木质的类似梁结构。