CN108842963B - 一种抑制振动的周期梁 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抑制振动的周期梁,所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，由若干空间四折线梁单元连接构成；所述四折线梁单元由四根长度相同的直梁以三个连接点首尾连接形成一开放空间四折线梁，所述开放空间四折线梁在某一平面投影为正方形。通过所述直梁间的特定组合连接，即可使该结构产生阻止一端存在的特定频率范围内的任一方向振动激励传至结构另一端的功能，实现对周期梁整体延伸方向上特定频率范围内任意振动的共同控制与消除。

Description

一种抑制振动的周期梁
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，具体涉及一种抑制振动的周期梁。
背景技术
振动对建筑结构、机械设备等危害很大，会使构件降低性能、缩短寿命、造成破坏等。如何有效控制和消除有害振动，是人们一直探索的重要问题。要消除或减小振动，一般可以控制和减小振源的能量输出及频率范围，如隔振技术，或改变和减少振动的传播途径，如减振技术，又或改变受振动物体的动力特性。传统的减振、隔振技术多依赖阻尼耗散振动能量，可覆盖较宽的振动频率范围，但针对性差，效果分散；而避免共振的方法虽针对性强，又不能对较宽频率范围的振动发挥作用。
中国CN201710054774.6号专利公开了一种产生弯曲与轴向耦合振动带隙的周期梁，所述周期梁由多个相同的三折线梁在同一平面内首尾连接而成，所述三折线梁由首、中、末三段直线段梁在同一平面内首尾连接而成，其中，该三折线梁的首、末段平行且等长，中间段长度为首、末段长度的两倍，相邻的三折线梁的首、尾段连接成直线段。该周期梁仅能对周期梁整体所在平面延伸方向上弯曲振动和轴向振动的共同控制与消除，不能同时抑制空间任意方向的振动激励。
中国CN201711407271.9号专利涉及剪力梁抗震结构技术领域，尤其涉及一种用于剪力梁的抗震结构及剪力梁；所述用于剪力梁的抗震结构包括梁体，所述梁体的上表面上设有抗震调频机构；所述抗震调频机构包括壳体，所述壳体内设有一个平衡腔室和至少一个阻尼腔室，各所述阻尼腔室均通过一个动力泵与所述平衡腔室连通；所述抗震调频机构还包括中央控制器和振动频率传感器；所述振动频率传感器和所述中央控制器均与所述壳体固定，各所述动力泵、所述振动频率传感器分别与所述中央控制器电连接。该剪力梁通过调节梁体的振动频率，降低发生共振的危险，不能消除振动激励。
近年来，声子晶体概念的出现为精确消除特定频率范围振动，提出了新思路。声子晶体在宏观结构上具有类似晶体的周期性。特殊的周期性结构使其具有禁止特定频率范围的弹性波或振动传播的特性，即出现了弹性波带隙或振动带隙。利用带隙特性可实现带隙频率范围内振动的控制和消除。
结构受到的振动可来自任意方向，故对任意方向振动的控制和消除具有极为重要的实际应用价值。一个有效策略是将振动激励进行隔离，但要有效隔离任意方向的振动激励并不容易，以均质直梁为例，当梁受到不同方向的振动激励发生振动时，振动将以轴向振动、弯曲振动、扭转振动等形式在其中传播，进而使振动波及与其相连的各处。由于三类振动各不相关，不同类型振动需分别实施不同的抑制手段，这无疑增加了实施的难度和效果。而目前出现的波形梁虽可对轴线平面内带隙频率范围的弯曲振动与纵向振动均有抑制效果，但仍对同时抑制空间任意方向的振动激励无能为力。因此，急需设计一种抑制振动的周期梁以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种抑制振动的周期梁，通过所述直梁间的特定组合连接，即可使该结构产生阻止一端存在的特定频率范围内的任一方向振动激励传至结构另一端的功能，实现对周期梁整体延伸方向上特定频率范围内任意振动的共同控制与消除。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明公开了一种抑制振动的周期梁，所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，由若干空间四折线梁单元连接构成；所述四折线梁单元由四根长度相同的直梁以三个连接点首尾连接形成一开放空间四折线梁，所述空间四折线梁在某一平面投影为正方形。
本发明所述周期梁的工作原理：对于空间任意方向的振动激励，自低频到高频，均质直梁会产生互不相关的弯曲波、轴向波和扭转波，故均质直梁不存在抑制空间任意方向振动激励的性质，本发明通过对常规材料构成的直梁进行特定的组合连接，使所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，实现弯曲波、轴向波和扭转波的耦合，由此，弯曲波、轴向波、扭转波不再相互独立；螺旋状的周期梁具有阻止一端存在的特定频率范围内的任意方向振动激励传至结构另一端的功能，实现对周期梁整体延伸方向上特定频率范围内任意振动的共同控制与消除。
单个所述四折线梁单元沿所述周期梁螺旋轴线方向的长度为0.0001-10m。
所述某一平面投影为正方形的对角线长度与单个所述四折线梁单元沿所述周期梁螺旋轴线方向的长度的比值为0.001-100。
所述周期梁由3-50个所述四折线梁单元连接构成。
所述周期梁的梁截面形状为圆形、矩形、环形和环矩形中的一种
所述四折线梁一体成型或由直梁刚性连接而成。
所述周期梁一体成型或由四折线梁刚性连接而成。
所述刚性连接为螺栓连接、焊接和粘结剂粘结中的一种或多种。
所述四折线梁单元采用均质材料制成。
所述均质材料为金属或聚合物。
本发明的材料优选为金属或聚合物，但材料参数和结构参数并不是限定的，可以根据工程实际环境进行相应设计改变，因为声子晶体本身可依靠材料参数和结构参数的变化来调控振动带隙的频率范围。选用不同的材料和结构参数，可使本发明的周期梁产生覆盖不同频率范围的振动带隙，可同时消除该频率范围内的任意振动。因此，本发明结构能够实现较好的通用减振效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过常规材料构成的直梁进行特定的组合连接，使所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，该结构具有阻止一端存在的特定频率范围内的任意方向振动激励传至结构另一端的功能，实现对周期梁整体延伸方向上特定频率范围内任意振动的共同控制与消除；
(2)本发明选用不同的材料和结构参数，可使所述周期梁产生覆盖不同频率范围的振动带隙，可同时消除该频率范围内的任意振动。因此，本发明结构能够实现较好的通用减振效果；
(3)本发明所述周期梁构造简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明所述周期梁的三维结构示意图；
图2为本发明单个所述四折线梁单元的结构示意图；
图3为本发明所述周期梁在三个平面内的投影图；
图4为本发明三个所述四折线梁单元在三个平面内的投影图；
图5为在实施例1所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图6为在实施例1所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图7为在实施例1所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图8为在实施例2所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图9为在实施例2所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图10为在实施例2所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图11为在实施例3所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图12为在实施例3所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图；
图13为在实施例3所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图。
具体实施方式
下面将对本发明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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开一种抑制振动的周期梁，如图1所示，所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，由6个空间四折线梁单元连接构成，即该周期梁的周期数为6；所述四折线梁单元由四根长度相同的直梁以三个连接点首尾连接形成一开放空间四折线梁，所述开放空间四折线梁在某一平面投影为正方形。
如图2所示，所述周期梁以一个四折线梁单元为一周期；如图3所示，沿z轴方向延伸；
如图4所示，本实施例的一个四折线梁单元结构在某一平面投影为一正方形。该正方形的对角线长度即为周期梁的螺旋结构在与螺旋轴线垂直方向上的最大长度，记为2r；该四折线梁单元结构沿周期梁整体延伸螺旋轴线方向的长度记为a，a为0.5m；2r/a可为1；
所述周期梁的梁截面形状为矩形，梁横截面高度为0.02m，梁横截面宽度为0.02m；
所述四折线梁单元由直梁焊接而成，所述周期梁由所述四折线梁单元螺栓连接而成；
所述四折线梁单元采用密度为2700kg·m-3，弹性模量为7.0×1010Pa，泊松比为0.33的铝。
将本实施例所限定的结构作为研究对象计算其在一端0-1500Hz振动激励下另一端的幅频响应。图5为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图，图6为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图，图7为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-1500Hz振动另一端的幅频响应函数图。如图5所示，6周期结构的振动幅频响应函数在183-329Hz和783-1352Hz范围内衰减明显，证明x方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图6所示，6周期结构的振动幅频响应函数在183-329Hz和783-1352Hz范围内衰减明显，证明y方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图7所示，6周期结构的振动幅频响应函数在183-329Hz和783-1352Hz范围内衰减明显，证明z方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。显然，三方向振动激励在相同的频率范围受到阻碍，这足以证明本发明的周期梁对特定频率范围的任意方向振动激励均可有效抑制，而明显的振动阻碍效果能够运用到阻隔振动的结构中，强烈降低振动幅值，极大降低振动的危害性。
实施例2
本实施例公开一种抑制振动的周期梁，与实施例1相比，不同之处在于，所述周期梁由15个空间四折线梁单元连接构成，即该周期梁的周期数为15。
本实施例的一个四折线梁单元结构在某一平面投影为一正方形。该正方形的对角线长度即为周期梁的螺旋结构在与螺旋轴线垂直方向上的最大长度，记为2r；该四折线梁单元结构沿周期梁整体延伸螺旋轴线方向的长度记为a，a为0.0005m；2r/a可为100；
所述周期梁的梁截面形状为圆形，该圆形直径为0.0001m；
所述四折线梁单元由直梁螺栓连接而成，所述周期梁由所述四折线梁单元焊接而成；
所述四折线梁单元采用密度为1180kg·m-3，弹性模量为0.435×1010Pa，泊松比为0.368的环氧树脂。
将本实施例所限定的结构作为研究对象计算其在一端0-300Hz振动激励下另一端的幅频响应。图8为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图，图9为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图，图10为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-300Hz振动另一端的幅频响应函数图。如图8所示，15周期结构的振动幅频响应函数在34-61Hz和137-258Hz范围内衰减明显，证明x方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图9所示，15周期结构的振动幅频响应函数在34-61HzHz和137-258Hz范围内衰减明显，证明y方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图10所示，15周期结构的振动幅频响应函数在34-61HzHz和137-258Hz范围内衰减明显，证明z方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。显然，三方向振动激励在相同的频率范围受到阻碍，这足以证明本发明的周期梁对特定频率范围的任意方向振动激励均可有效抑制，而明显的振动阻碍效果能够运用到阻隔振动的结构中，强烈降低振动幅值，极大降低振动的危害性。
实施例3
本实施例公开一种抑制振动的周期梁，与实施例1相比，不同之处在于，所述周期梁由30个空间四折线梁单元连接构成，即该周期梁的周期数为30。
本实施例的一个四折线梁单元结构在某一平面投影为一正方形。该正方形的对角线长度即为周期梁的螺旋结构在与螺旋轴线垂直方向上的最大长度，记为2r；该四折线梁单元结构沿周期梁整体延伸螺旋轴线方向的长度记为a，a为8m；2r/a可为0.001；
所述周期梁的梁截面形状为环形，该环形外直径为0.05m，内径为0.01m；
所述四折线梁单元一体成型，所述周期梁一体成型；
所述四折线梁单元采用密度为7800kg·m-3，弹性模量为21.0×1010Pa，泊松比为0.3的钢。
将本实施例所限定的结构作为研究对象计算其在一端0-5000Hz振动激励下另一端的幅频响应。图11为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射x方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图，图12为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射y方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图，图13为在本实施例所限定参数下的周期梁结构一端入射z方向0-5000Hz振动另一端的幅频响应函数图。如图11所示，30周期结构的振动幅频响应函数在1430-5000Hz围内衰减明显，证明x方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图12所示，30周期结构的振动幅频响应函数在1430-5000Hz范围内衰减明显，证明y方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。如图13所示，30周期结构的振动幅频响应函数在1430-5000Hz范围内衰减明显，证明z方向振动激励在此频率范围的传播受到了阻碍，几乎不能通过。显然，三方向振动激励在相同的频率范围受到阻碍，这足以证明本发明的周期梁对特定频率范围的任意方向振动激励均可有效抑制，而明显的振动阻碍效果能够运用到阻隔振动的结构中，强烈降低振动幅值，极大降低振动的危害性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种抑制振动的周期梁，其特征在于，所述周期梁沿一空间轴线呈螺旋状，由若干空间四折线梁单元连接构成；所述四折线梁单元由四根长度相同的直梁以三个连接点首尾连接形成一开放空间四折线梁，所述开放空间四折线梁在某一平面投影为正方形。
2.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，单个所述四折线梁单元沿所述周期梁螺旋轴线方向的长度为0.0001-10m。
3.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述某一平面投影为正方形的对角线长度与单个所述四折线梁单元沿所述周期梁螺旋轴线方向的长度的比值为0.001-100。
4.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述周期梁由3-50个所述四折线梁单元连接构成。
5.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述周期梁的梁截面形状为圆形、矩形、环形和环矩形中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述四折线梁单元一体成型或由直梁刚性连接而成。
7.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述周期梁一体成型或由四折线梁单元刚性连接而成。
8.根据权利要求6或7所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述刚性连接为螺栓连接、焊接和粘结剂粘结中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述四折线梁单元采用均质材料制成。
10.根据权利要求9所述的一种抑制振动的周期梁,其特征在于，所述均质材料为金属或聚合物。
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