CN107606027A - 一种两自由度碰撞非线性消振装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种两自由度碰撞非线性消振装置，属于结构工程振动控制领域。一种两自由度碰撞非线性消振装置包括结构底板1、下层外壳3、下层质量块4、上层质量块9、碰撞接触销5、下层线性弹簧2、上层线性弹簧6、上层外壳7、运动导向轴8和固定螺栓10。下层质量块4、上层质量块9分别通过下层线性弹簧2、上层线性弹簧6与结构底板1和上层外壳7相连，当其位移到达指定位置时，下层质量块4、上层质量块9通过碰撞接触销5分别与下层外壳4发生非弹性碰撞，引起结构中机械能的变化，达到减振的目的。与传统的吸振器和阻尼器相比，本发明能够在较宽的范围内消耗系统的机械能，并迅速降低结构的响应，具有在实际工程中广泛应用的前景。

Description

一种两自由度碰撞非线性消振装置

技术领域

本发明属于结构工程振动控制领域，具体涉及一种两自由度碰撞非线性消振装置。

背景技术

振动现象广泛存在于生产生活之中。我们生活中所居住的楼房，使用的桥梁、铁路，平时乘坐的如火车、汽车、轮船和飞机等都不同程度的存在振动现象。工业生产中的机械制造、航空航天、发电等领域更是面临严重的振动问题。传统的振动控制策略通过被动控制装置实现。被动控制通常具有结构简单，易于实现，不需要外加能量，稳定性好等优点。其中，应用较为广泛的是调谐质量阻尼器。通过合理的选取质量块参数、阻尼参数和刚度参数，调谐质量阻尼器能够实现很好的吸振效果。并通过与待减振结构之间的动力学作用，改变其结构模态。但是，这种调谐质量阻尼器的缺点是其只能对窄频带振动起到抑制效果，并不适用于宽频带振动的抑制情形。

随着人们对结构振动控制要求的逐步提高，新形式的减振装置的设计受到广泛关注。碰撞作为一种广泛存在的现象，属于一种强非线性现象，具有明显的能量耗散特性，可通过合理设计将碰撞应用到减振领域之中。早在1930年，就有人利用碰撞来实现结构振动抑制。Paget发明了冲击消振器，并将其用于抑制涡轮机叶片和机翼的振动之中。后来又应用于抑制雷达天线、切削工具、高层建筑的振动抑制之中。随着非线性研究的深入和计算机性能的提升，对碰撞非线性导致的振动抑制现象研究不断深入，已有大量利用碰撞现象实现结构振动控制的成果被报道。碰撞能够实现较宽范围内的振动抑制，对冲击振动、随机振动等都具有良好的抑制效果。同时，由于结构简单、易于实现，可以说碰撞非线性消振装置是一种很有前途的减振装置。

授权公告号为CN102705430A的发明提出了一种两自由度非线性吸振装置，其中，吸振通过两级立方刚度非线性弹簧实现。该发明通过弹簧的非线性特征与待减振结构相互作用实现振动能量的单向传递。然而，该发明的能量消耗效果与待减振结构内部的能量大小有很大关系，试用范围受到制约。

授权公告号为CN205134603U的发明提出了一种基于非线性能量阱的两自由度吸振器，其中，该发明通过椭球型橡胶体实现非线性刚度与待减振结构相互作用，从而吸收消耗振动能量。然而，该发明的能量消耗是通过阻尼来实现的，无法克服阻尼消耗能量时的缺点。

发明内容

针对目前现有技术中存在的振动抑制问题，本发明旨在提供一种能够利用碰撞实现更高效的振动抑制效果的两自由度碰撞非线性消振装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明为一种两自由度碰撞非线性消振装置，包括结构底板1、下层线性弹簧2、下层外壳3、下层质量块4、碰撞接触销5、上层线性弹簧6、上层外壳7、运动导向轴8、上层质量块9和固定螺栓10，其特征在于：所述的结构底板1下侧连接待减振结构，上侧通过下层线性弹簧2弹性支撑下层质量块4；下层外壳3的上表面是碰撞接触面，上层质量块9和下层线性弹簧2均通过螺纹连接碰撞接触销5，上层质量块9、碰撞接触销5和上层线性弹簧6所构成的质量弹簧体统与下层质量块4、碰撞接触销5和下层线性弹簧2所构成的质量弹簧体统对称布置在碰撞接触面两侧；上层外壳7通过上层线性弹簧6悬挂连接上层质量块9；上层外壳7与下层外壳3、下层外壳3与结构底板1通过固定螺栓10连接；运动导向轴8贯穿上层外壳7、上层线性弹簧6、上层质量块9、下层外壳3、下层质量块4、下层线性弹簧2和结构底板1，通过固定螺栓10与上层外壳7固定。

所述的下层质量块4通过与其连接的碰撞接触销5、上层质量块9通过与其连接的碰撞接触销5分别与下层外壳4发生非弹性碰撞产生非线性作用力，下层质量块4、结构底板1、下层外壳3、上层外壳7、待减振结构的速度突变，消耗能量。

所述的上层质量块9和下层质量块4的质量相同；上层线性弹簧6和下层线性弹簧2所具有的弹簧刚度相同；在静止的状态下，上层线性弹簧6和下层线性弹簧2处于自然压缩或拉伸状态，碰撞接触销5与下层外壳3之间的距离和作用力均为零。

所述的运动导向轴8经由上层质量块9和下层质量块4中心位置的通孔穿过，限制上层质量块9和下层质量块4保持轴向运动而不发生径向运动。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

一种两自由度碰撞非线性消振装置根据碰撞动力学原理，利用碰撞所具有的强非线性特性抑制结构自由振动和冲击振动响应。当碰撞接触销5运动到碰撞表面时就会发生非弹性碰撞。这会伴随机械能量的损失，能够不可逆的将振动能量消耗，从而降低结构的振动响应幅值。

碰撞过程中伴随着各个质量块之前剧烈动量交换，这种动量交换能够改变被控对象的能量在各阶模态内的分布，可实现能量由低阶模态向高阶模态的转移。由于同样的能量，在高阶模态下振动的幅值要小于低阶振动模态振动的幅值，因此一种两自由度碰撞非线性消振装置能够大大降低结构振动响应的峰值。

一种两自由度碰撞非线性消振装置在质量块很小的情况下就能够快速耗散待减振结构的振动能量。因此具有体积较小、结构简单、成本较低、便于维护等突出特点。在结构振动抑制效果上具有明显优势，具有很好的工程应用前景。

附图说明

图1是一种两自由度碰撞非线性消振装置的整体结构示意图。

图2是一种两自由度碰撞非线性消振装置的俯视图。

图3是一种两自由度碰撞非线性消振装置的装配图。

图4是一种两自由度碰撞非线性消振装置在结构台架上应用实例的结构示意图。

图5是采用一种两自由度碰撞非线性消振装置和采用阻尼减振的待减振结构响应对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

图1至图3所示，一种两自由度碰撞非线性消振装置，包括结构底板1、下层线性弹簧2、下层外壳3、下层质量块4、碰撞接触销5、上层线性弹簧6、上层外壳7、运动导向轴8、上层质量块9和固定螺栓10，其特征在于：所述的结构底板1下侧连接待减振结构，上侧通过下层线性弹簧2弹性支撑下层质量块4；下层外壳3的上表面是碰撞接触面，上层质量块9和下层线性弹簧2均通过螺纹连接碰撞接触销5，上层质量块9、碰撞接触销5和上层线性弹簧6所构成的质量弹簧体统与下层质量块4、碰撞接触销5和下层线性弹簧2所构成的质量弹簧体统对称布置在碰撞接触面两侧；上层外壳7通过上层线性弹簧6悬挂连接上层质量块9；上层外壳7与下层外壳3、下层外壳3与结构底板1通过固定螺栓10连接；运动导向轴8贯穿上层外壳7、上层线性弹簧6、上层质量块9、下层外壳3、下层质量块4、下层线性弹簧2和结构底板1，通过固定螺栓10与上层外壳7固定。

所述的下层质量块4通过与其连接的碰撞接触销5、上层质量块9通过与其连接的碰撞接触销5分别与下层外壳4发生非弹性碰撞产生非线性作用力，下层质量块4、结构底板1、下层外壳3、上层外壳7、待减振结构的速度突变，消耗能量，从而达到消振的目的。

所述的上层质量块9和下层质量块4的质量相同；上层线性弹簧6和下层线性弹簧2所具有的弹簧刚度相同；在静止的状态下，上层线性弹簧6和下层线性弹簧2处于自然压缩或拉伸状态，碰撞接触销5与下层外壳3之间的距离和作用力均为零。

所述的运动导向轴8经由上层质量块9和下层质量块4中心位置的通孔穿过，限制上层质量块9和下层质量块4保持轴向运动而不发生径向运动。

下面结合图4说明一种两自由度碰撞非线性消振装置的工作原理，并对减震过程进行详细说明。图中a为一种两自由度碰撞非线性消振装置，b为待减振结构。首先，建立数学模型：下层质量块4和碰撞接触销5的共同质量为m₁，上层质量块9和碰撞接触销5的共同质量为m₂，且m₁和m₂的数值相等，待减振的结构质量为m₃。下层线性弹簧2和上层线性弹簧6的刚度分别为k₁和k₂，且k₁和k₂的数值相等，待减振的结构刚度为k₃。由于实际结构不可避免地存在摩擦等因素的影响，假设这些因素可以用Rayleigh型比例阻尼描述，且阻尼系数分别为c₁和c₂，待减振的结构阻尼为c₃。一种两自由度碰撞非线性消振装置通过结构底板1固定在待减振结构上，待减振结构所具有的振动能量通过结构底板1、下层外壳3、上层外壳7传递至下层线性弹簧2、下层质量块4、上层线性弹簧6、上层质量块9，使待减振结构的振动能量转移为一种两自由度碰撞非线性消振装置的弹性势能和动能。当下层质量块4上固定的碰撞接触销5运动到下层外壳3的上表面时，与下层外壳3的上表面发生碰撞，碰撞的瞬间，下层质量块4、结构底板1、下层外壳3、上层外壳7的速度都发生突变；同理，当上层质量块9上固定的碰撞接触销5运动到下层外壳3的上表面时，与下层外壳3的上表面发生碰撞，碰撞的瞬间，上层质量块9、结构底板1、下层外壳3、上层外壳7的速度都发生突变。由于待减振结构与结构底板1相连，致使待减振结构的速度也发生突变，实现了一种两自由度碰撞非线性消振装置与待减振结构的动量交换。可以用碰撞前的相对速度v^-和碰撞后的相对速度v⁺的比值e＝v⁺/v^-表示碰撞过程的速度变化。由于所发生的碰撞是非弹性碰撞，对应的0<e<1。因此碰撞过程会伴随着振动能量损失。当碰撞结束后，下层质量块2、上层质量块9和待减振结构又以新的初始条件开始运动。这种由于碰撞引起的振动能量损失是能量由待减振结构向一种两自由度碰撞非线性消振装置的单向传递过程，是不可逆的过程，振动能量会由于碰撞的发生而逐步减少。由于在静止状态下，碰撞接触销5与下层外壳3之间的距离和作用力均为零，根据运动学定律可以知道，只要待减振结构振动能量不等于零，就会发生由待减振结构向一种两自由度碰撞非线性消振装置的能量不可逆单向传递，直至系统中所有的振动能量被一种两自由度碰撞非线性消振装置完全消耗，能量传递才会结束。因此，一种两自由度碰撞非线性消振装置能够实现迅速降低结构振动响应的目的。

如图5所示(横轴代表时间)，连接一种两自由度碰撞非线性消振装置之后，待减振结构的振动响应迅速降低到很小的值。而采用传统的阻尼减振方法，待减振结构的响应幅值相对比较大。这说明一种两自由度碰撞非线性消振装置具有很强的振动抑制效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种两自由度碰撞非线性消振装置，包括结构底板(1)、下层线性弹簧(2)、下层外壳(3)、下层质量块(4)、碰撞接触销(5)、上层线性弹簧(6)、上层外壳(7)、运动导向轴(8)、上层质量块(9)和固定螺栓(10)，其特征在于：所述的结构底板(1)下侧连接待减振结构，上侧通过下层线性弹簧(2)弹性支撑下层质量块(4)；下层外壳(3)的上表面是碰撞接触面，上层质量块(9)和下层线性弹簧(2)均通过螺纹连接碰撞接触销(5)，上层质量块(9)、碰撞接触销(5)和上层线性弹簧(6)所构成的质量弹簧体统与下层质量块(4)、碰撞接触销(5)和下层线性弹簧(2)所构成的质量弹簧体统对称布置在碰撞接触面两侧；上层外壳(7)通过上层线性弹簧(6)悬挂连接上层质量块(9)；上层外壳(7)与下层外壳(3)、下层外壳(3)与结构底板(1)通过固定螺栓(10)连接；运动导向轴(8)贯穿上层外壳(7)、上层线性弹簧(6)、上层质量块(9)、下层外壳(3)、下层质量块(4)、下层线性弹簧(2)和结构底板(1)，通过固定螺栓(10)与上层外壳(7)固定。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度碰撞非线性消振装置，其特征在于：所述的下层质量块(4)通过与其连接的碰撞接触销(5)、上层质量块(9)通过与其连接的碰撞接触销(5)分别与下层外壳(4)发生非弹性碰撞产生非线性作用力，下层质量块(4)、结构底板(1)、下层外壳(3)、上层外壳(7)、待减振结构的速度突变，消耗能量。

3.根据权利要求1所述的一种两自由度碰撞非线性消振装置，其特征在于：所述的上层质量块(9)和下层质量块(4)的质量相同；上层线性弹簧(6)和下层线性弹簧(2)所具有的弹簧刚度相同；在静止的状态下，上层线性弹簧(6)和下层线性弹簧(2)处于自然压缩或拉伸状态，碰撞接触销(5)与下层外壳(3)之间的距离和作用力均为零。

4.根据权利要求1所述的一种两自由度碰撞非线性消振装置，其特征在于：所述的运动导向轴(8)经由上层质量块(9)和下层质量块(4)中心位置的通孔穿过，限制上层质量块(9)和下层质量块(4)保持轴向运动而不发生径向运动。