CN108086771A - 具有非线性能量阱的惯容减震系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有非线性能量阱的惯容减震系统，属于土木工程结构耗能减震技术领域。本发明包括安装连接单元、非线性能量阱耗能单元、平面连杆型惯容单元；所述非线性能量阱耗能单元包括线性阻尼部件和非线性的刚度部件，所述线性阻尼部件为高效耗散结构的振动能量的部件，所述非线性的刚度部件为提供非线性的恢复力的部件；所述线性阻尼部件和非线性的刚度部件均与平面连杆型惯容单元连接，通过平面连杆型惯容单元为所述惯容减震系统吸能和增效。本发明利用平面连杆型惯容单元的两节点质量增效作用吸收振动能量，利用非线性能量阱耗能单元高效耗散振动能量，并提供非线性恢复力；有效地降低结构的动力响应，控制层间位移，具有较好的推广价值。
Description
技术领域
本发明所属于土木工程结构耗能减震技术领域，尤其涉及一种具有非线性能量阱的惯容减震系统。
背景技术
消能减振技术，通过在结构产生相对运动的部位增设附加消能减振装置，当结构受到地震、风振作用时，阻尼器在结构相对运动的强迫作用下产生抵抗结构相对运动的阻力，从而利用附加减振装置的耗能作用减小结构本身的动力响应，保证了结构的安全性、舒适性和正常使用性等功能要求。
本领域惯性减震系统作为一种加速度依赖型的消能减震装置，其惯性单元是一种具有质量增效能力的两节点单元。现有的质量增效机制，主要是利用滚珠螺杆和旋转螺母将结构的径向运动转换为高速的旋转运动从而有效地耗散结构的振动能量，但此类阻尼器机械加工精度高，其采用的粘滞阻尼耗能单元要求极高的封闭性，腔体内压力高。
非线性能量阱作为一种新型的减震装置，没有固定的频率，具有非线性刚度和一定的阻尼。在振动过程中，非线性靶向能量传递将使得振动能量以一种不可逆的方式被能量阱耗能单元吸收并耗散，耗能高效且可提供非线性的装置恢复力。
发明内容
本发明目的在于，克服现有技术的不足，提供一种具有非线性能量阱的惯容减震系统，利用能量阱耗能高效的特点，解决传统惯容单元对加工精度要求高的问题，采用形状非线性能量阱耗能部件耗散能量，附加设计一套平面连杆型惯容吸能增效机构，联合构成一种新型惯容减震系统。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种具有非线性能量阱的惯容减震系统，包括安装连接单元、非线性能量阱耗能单元、平面连杆型惯容单元；
所述非线性能量阱耗能单元包括线性阻尼部件和非线性的刚度部件，所述线性阻尼部件为高效耗散结构的振动能量的部件，所述非线性的刚度部件为提供非线性的恢复力的部件；所述线性阻尼部件和非线性的刚度部件均与平面连杆型惯容单元连接，并通过平面连杆型惯容单元为所述惯容减震系统吸能和增效；
所述具有非线性能量阱的惯容减震系统通过安装连接单元设置在结构中。
进一步，所述安装连接单元包括耳环和封闭保护筒。
进一步，所述平面连杆型惯容单元包括传动杆、铰链、主动杆、连杆、被动杆、若干摇杆、若干旋转质量和若干旋转轴；
所述连接杆穿过封闭保护筒的一侧壁，其外端与耳环连接，其内端与主动杆的一端铰接；主动杆的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与被动杆的一端铰接，同时连杆与若干个摇杆连接，每个摇杆的一端都铰接在连杆上，每个摇杆的另一端各与一个旋转轴连接，同时每个旋转轴与一个旋转质量的转动中心连接，每个旋转轴的两端分别连接在封闭保护筒的内壁上；摇杆可绕旋转轴做平面圆周运动，并带动旋转质量绕旋转轴做旋转运动；
所述连接杆、主动杆、连杆、被动杆、若干摇杆位于同一平面内，且该平面与旋转质量所在平面平行。
进一步，所述线性阻尼部件为黏滞阻尼耗能部件；
所述被动杆的另一端与黏滞阻尼耗能部件的活塞杆铰接，黏滞阻尼耗能部件与封闭保护筒另一侧壁外的耳环固定连接。
进一步，所述非线性的刚度部件为线性弹簧；
所述连接杆上套设有位于封闭保护筒内的连接环，连接环的前后两侧各设置一水平设置的线性弹簧，线性弹簧的一端连接在连接环上，其另一端连接在封闭保护筒的内壁上。
在优选的实施方式中，所述主动杆、连杆、被动杆、摇杆构成的平面连杆结构以旋转质量所在的平面前后对称设置有两组。
在本发明中，非线性能量阱耗能单元中的线性弹簧的个数、刚度以及阻尼力的大小可以根据实际设计需要而定。平面连杆型惯容单元中质量增效效果以及部件水平控制力的大小由主动杆的杆长、连杆的杆长、旋转质量的半径、数量和质量决定。
本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统可以采用螺栓安装等方式通过耳环设置在结构墙体内。
本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统的工作方式为：
当耳环水平平动时，带动连接环与线性弹簧连接处的节点平动，从而拉伸线性弹簧，并使线性弹簧提供一个非线性对的恢复力，该恢复力F与耳环1的水平位移u的立方成正比，即F＝ku3，其中k为线性弹簧的总刚度，因此该恢复力为非线性恢复力；同时，耳环的水平平动带动主动杆平动，主动杆带动连杆平动，连杆带动摇杆绕旋转轴做平面圆周运动，摇杆带动旋转质量绕旋转轴做旋转运动，同时连杆还带动被动杆的侧端(与黏滞阻尼耗能部件连接的一端)水平运动，进而引起黏滞阻尼耗能部件的活塞发生水平平动，提供一个水平的阻尼力。
本发明与现有技术相比，具有以下优点与有益效果：
1.本发明包括能量阱型耗能单元、平面连杆型惯容单元(即为吸能质量增效机构，增大耗能单元耗能能力)、以及安装连接单元，充分利用平面连杆型惯性单元的两节点质量增效单元吸收振动能量；利用能量阱型耗能单元提供非线性的恢复力并高效耗散结构振动能量。
2.通过平面连杆型惯容单元的增效作用可以有效地提高能量阱型耗能单元的吸振耗能能力，同时平面连杆型惯容单元能够有效地转移结构的输入能量，降低结构在振动作用下的响应。
3.本发明中能量阱型耗能单元可实现靶能量传递，其能量吸振频域锁定域宽于传统吸振器，利用非线性刚度实现了多个共振频率的锁定，配合平面连杆型惯容单元，不仅提高了整个减震装置的吸能效率，更实现了高效耗能的效果。
4.本发明中平面连杆型惯容单元实际安装质量小，对装置部件机械加工要求低，质量增效效果显著且易于调节，其附加质量效果可根据设计需求方便调整，并提供有效的控制力。
5.本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统设置方便灵活，能够有效吸收并耗散振动能量，且旋转质量小，具有较好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统的示意图。
附图标记说明
1耳环、2封闭保护筒、3黏滞阻尼耗能部件、4传动杆、5连接环、6线性弹簧、7铰链、8主动杆、9连杆、10被动杆、11摇杆、12旋转质量、13旋转轴。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的具有非线性能量阱的惯容减震系统的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例
如图1所示，本发明提供一种具有非线性能量阱的惯容减震系统，包括安装连接单元、非线性能量阱耗能单元、平面连杆型惯容单元；非线性能量阱耗能单元包括线性阻尼部件和非线性的刚度部件，线性阻尼部件为高效耗散结构的振动能量的部件，非线性的刚度部件为提供非线性的恢复力的部件；平面连杆型惯容单元为所述惯容减震系统的吸能和增效机构。
其中，安装连接单元包括耳环1和封闭保护筒2。作为举例而非限定，在本实施例中，封闭保护筒2为横向设置的中空圆柱形筒。
非线性能量阱耗能单元包括黏滞阻尼耗能部件3、连接环5、线性弹簧6；其中，黏滞阻尼耗能部件3为线性阻尼部件，线性弹簧6为非线性的刚度部件。
平面连杆型惯容单元包括传动杆4、铰链7、主动杆8、连杆9、被动杆10、摇杆11、旋转质量12和旋转轴13。
具体的，连接杆4穿过封闭保护筒2的右侧壁，其外端与耳环1连接，其内端与主动杆8的一端铰接；主动杆8的另一端与连杆9的一端铰接，连杆9的另一端与被动杆10的一端铰接，同时连杆9与若干个摇杆11连接，每个摇杆11的一端都铰接在连杆9上；每个摇杆11的另一端都通过轴承与一个旋转轴13连接，每个旋转轴13都通过轴承与一个旋转质量12的转动中心连接，每个旋转轴13的两端分别连接在封闭保护筒2的内壁上。作为举例而非限定，旋转轴13可以是与封闭保护筒2内壁连接的一个细长圆柱。
进一步，连接杆4、主动杆8、连杆9、被动杆10、若干摇杆11位于同一平面内，且该平面与旋转质量12所在平面平行。摇杆11可绕旋转轴13做平面圆周运动，并带动旋转质量12绕旋转轴13做旋转运动，同时连杆9上下平动并伴随前后平动。
作为举例而非限定，在本实施例中，设置有两组摇杆11、旋转轴13与旋转质量12。
进一步，主动杆8、连杆9、被动杆10、摇杆11构成的平面连杆结构以旋转质量12所在的平面前后对称设置有两组。
作为举例而非限定，在本实施例中，所述铰接可以采用铰链7来实现；例如，连杆9上可以设置有若干销孔，并通过销孔与摇杆11的一端实现铰接。
黏滞阻尼耗能部件3为一个活塞杆贯穿黏滞阻尼器的封闭圆筒，筒内预先设定硅油等黏滞液体，活塞杆带动活塞往复运动，硅油在挤压作用下从小孔中射流，产生黏滞阻力。
进一步，被动杆10的另一端与黏滞阻尼耗能部件3的活塞杆铰接，黏滞阻尼耗能部件3与封闭保护筒2左侧壁外的耳环1固定连接。
进一步，连接杆4上套设有位于封闭保护筒2内的连接环5，连接环5的前后两侧各设置一水平设置的线性弹簧6，线性弹簧6的一端连接在连接环5上，其另一端连接在封闭保护筒2的内壁上。
在本发明中，非线性能量阱耗能单元中的线性弹簧6的个数、刚度以及阻尼力的大小可以根据实际设计需要而定。平面连杆型惯容单元中质量增效效果以及部件水平控制力的大小由主动杆8的杆长、连杆9的杆长、旋转质量12的半径、数量和质量决定。
本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统可以采用螺栓安装等方式通过耳环1设置在结构墙体内。
本发明所述具有非线性能量阱的惯容减震系统的工作方式为：
当耳环1水平平动时，带动连接环5与线性弹簧6连接处的节点平动，从而拉伸线性弹簧6，并使线性弹簧6提供一个非线性对的恢复力，该恢复力F与耳环1的水平位移u的立方成正比，即F＝ku3，其中k为线性弹簧的总刚度，因此该恢复力为非线性恢复力；同时，耳环1的水平平动带动主动杆8平动，主动杆8带动连杆9平动，连杆9带动摇杆11绕旋转轴13做平面圆周运动，摇杆11带动旋转质量12绕旋转轴13做旋转运动，同时连杆9还带动被动杆10的左侧端(与黏滞阻尼耗能部件3连接的一端)水平运动，进而引起黏滞阻尼耗能部件3的活塞发生水平平动，提供一个水平的阻尼力。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (6)
1.一种具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：包括安装连接单元、非线性能量阱耗能单元、平面连杆型惯容单元；
所述非线性能量阱耗能单元包括线性阻尼部件和非线性的刚度部件，所述线性阻尼部件为高效耗散结构的振动能量的部件，所述非线性的刚度部件为提供非线性的恢复力的部件；所述线性阻尼部件和非线性的刚度部件均与平面连杆型惯容单元连接，并通过平面连杆型惯容单元为所述惯容减震系统吸能和增效；
所述具有非线性能量阱的惯容减震系统通过安装连接单元设置在结构中。
2.根据权利要求1所述的具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：所述安装连接单元包括耳环(1)和封闭保护筒(2)。
3.根据权利要求2所述的具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：所述平面连杆型惯容单元包括传动杆(4)、铰链(7)、主动杆(8)、连杆(9)、被动杆(10)、摇杆(11)、旋转质量(12)和旋转轴(13)；
所述连接杆(4)穿过封闭保护筒(2)的一侧壁，其外端与耳环(1)连接，其内端与主动杆(8)的一端铰接；主动杆(8)的另一端与连杆(9)的一端铰接，连杆(9)的另一端与被动杆(10)的一端铰接，同时连杆(9)与若干个摇杆(11)连接，每个摇杆(11)的一端都铰接在连杆(9)上，每个摇杆(11)的另一端各与一个旋转轴(13)连接，同时每个旋转轴(13)与一个旋转质量(12)的转动中心连接，每个旋转轴(13)的两端分别连接在封闭保护筒(2)的内壁上；所述摇杆(11)能够绕旋转轴(13)做平面圆周运动，并带动旋转质量(12)绕旋转轴(13)做旋转运动；
所述连接杆(4)、主动杆(8)、连杆(9)、被动杆(10)、若干摇杆(11)位于同一平面内，且该平面与旋转质量(12)所在平面平行。
4.根据权利要求3所述的具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：所述线性阻尼部件为黏滞阻尼耗能部件(3)；
所述被动杆(10)的另一端与黏滞阻尼耗能部件(3)的活塞杆铰接，黏滞阻尼耗能部件(3)与封闭保护筒(2)另一侧壁外的耳环(1)固定连接。
5.根据权利要求3所述的具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：所述非线性的刚度部件为线性弹簧(6)；
所述连接杆(4)上套设有位于封闭保护筒(2)内的连接环(5)，连接环(5)的前后两侧各设置一水平设置的线性弹簧(6)，线性弹簧(6)的一端连接在连接环(5)上，其另一端连接在封闭保护筒(2)的内壁上。
6.根据权利要求3所述的具有非线性能量阱的惯容减震系统，其特征在于：所述主动杆(8)、连杆(9)、被动杆(10)、摇杆(11)构成的平面连杆结构以旋转质量(12)所在的平面前后对称设置有两组。
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