CN109736466A - 用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，包括顶板和刚性板，顶板底面通过若干根连接直杆与刚性板顶面相连，所述刚性板侧面均匀布置有若干悬臂梁，各悬臂梁的一端与刚性板侧面相连，各悬臂梁的另一端顶面对应设有质量块，各悬臂梁外端依次通过对应的质量块、电涡流阻尼器与顶板底面相连。本发明采用环形布置的悬臂梁作为弹簧元件，改变悬臂梁厚度实现多重调谐质量阻尼器的分布式频率特征，结构紧凑；同时，采用双套环电涡流阻尼器，改进了导体切割磁感线方式，增大电涡流出力效率，减小阻尼器尺寸，拓宽电涡流阻尼器的安装适用范围。

Description

用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于结构减振控制领域，特别涉及一种用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器。

背景技术

近年来，国家大力发展基础建设，大跨桥梁不断向长、轻、柔发展，城市高层、超高层、高耸建筑不断涌现，其所采用的细长构件、大跨楼板增多，且大多以钢结构为主，阻尼小，结构频率低，在风、车、人行及地震荷载作用下产生长时低振幅或较大振幅运动，致使结构疲劳，降低了结构耐久性与行人舒适度，甚至造成构件乃至结构破坏，不利于结构整体安全性。因此，需要对此类结构或构件附加一定的振动控制措施，减小振幅，提高结构安全性和舒适性。

结构减振控制措施按控制方式不同，可分为主动控制、半主动控制、被动控制及混合控制。主动控制通过传感器监测参数计算出最优控制力，由作动器直接输出至被控结构，反应迅速，控制效果好，但技术复杂，造价昂贵，维护要求高，在很多大跨结构中，外置供电安装受到限制。半主动控制去除了需要外部大功率供电的作动器，根据传感器参数反馈，仅需微小电流的控制器对阻尼或刚度参数小范围调整，使阻尼器参数处于最优状态，但其控制原理与主动控制相同，需要复杂的控制算法计算。混合控制是近年来发展的将主动与被动控制相结合的新型控制技术，可发挥被动控制与主动控制各自优点，但二者的协同与辅助控制组合方式尚不成熟。

被动控制是一项较为成熟的结构减振技术，本发明即属于被动控制的范畴。被动控制无需外部供电，主要通过合理的阻尼器参数设计与安装位置分布，达到控制工程结构有害振动响应的目的。被动控制中，调谐质量阻尼器(TMD)是一种常用的减振装置，适用于以某一阶振动频率为主的结构振动问题，例如高耸结构的风致振动、大跨楼板及人行桥的人致振动等问题。目前已发展了多种阻尼、刚度和分布形式，例如，调谐液体阻尼器(TLD)，电涡流阻尼器(ECD)，摆式调谐质量阻尼器(PTMD)，多重调谐质量阻尼器(MTMD)等，均在工程中有不同程度的应用。

由于采用惯性原理减振，调谐质量阻尼器(TMD)需按结构振动的某一阶模态进行参数设计；此外，在目前大跨楼板，人行天桥，细长的直立构件、结构以及长大桥梁中，单个大吨位TMD受安装空间限制，实施困难，参数调节不便，而且存在频率失谐时减振效果不佳的缺点。已有的研究表明，将单个大吨位调谐质量分为多个小质量TMD，并依据以结构某阶频率为主的分布式频率特性设计各小质量TMD，构建多重调谐质量阻尼器(MTMD)，不仅可以解决其安装及参数调节等难题，还可以提高减振的鲁棒性。但MTMD减振装置采用多个小质量TMD，各小TMD单独安装，施工作业面更大，对安装空间受限的大跨楼板，梁高较小的人行天桥存在诸多实际困难，同时小质量TMD较为分散，无法最大化分布在被控主振型最优位置，易降低减振效果。此外，阻尼发生装置作为TMD的核心部件之一，被要求提供足够的阻尼力，易于设计、维护，耐久性好。众多的阻尼形式中，电涡流阻尼是一种具有良好前途的阻尼类型，其基于法拉第电磁感应定律与楞次定律，当导体在恒定磁场中运动时，导体中产生感应电流，且感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量变化，由此产生抑制导体运动的电涡流阻尼力；同时，电涡流阻尼力与导体运动速度成正比，具有理想的粘滞阻尼特性，易于参数化设计。但目前适用于狭小安装空间的小型或微型电涡流阻尼器不能满足大阻尼系数的要求，导体切割磁感线方式单一，电涡流阻尼出力效率较低。因此，如何实现MTMD的紧凑式设计，如何合理选定导体切割磁感线方式，优化电涡流出力效率，是亟需探索的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，采用环形布置的悬臂梁作为弹簧元件，结构紧凑；同时，采用双套环电涡流阻尼器，改进了导体切割磁感线方式，增大电涡流出力效率，减小阻尼器尺寸，拓宽电涡流阻尼器的安装适用范围。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其结构特点是包括顶板和刚性板，顶板底面通过若干根连接直杆与刚性板顶面相连，所述刚性板侧面均匀布置有若干悬臂梁，各悬臂梁的一端与刚性板侧面相连，各悬臂梁的另一端顶面对应设有质量块，各悬臂梁外端依次通过对应的质量块、电涡流阻尼器与顶板底面相连。

进一步地，所述电涡流阻尼器包括顶杆、外导磁体、外铜体、内铜体、内导磁体、N极磁环、S极磁环、调节杆，其中，顶杆顶端与顶板底面相连，顶杆底端与外导磁体外顶面相连，外铜体设于外导磁体内，且外铜体外壁与外导磁体内壁相接触；内铜体与内导磁体顶端均与外铜体内顶面相连，内铜体与内导磁体底端均悬空，内导磁体设于内铜体内，且内导磁体外壁与内铜体内壁相接触；N极磁环底端与S极磁环顶端相连，N极磁环与S极磁环均设于内铜体外且与内铜体之间具有第一间隙，N极磁环顶端与外铜体内顶面之间具有第二间隙，S极磁环底端与外铜体内底面之间具有第三间隙；N极磁环与S极磁环外壁均与外铜体之间具有第四间隙；调节杆顶端与S极磁环底部相连，调节杆底部依次穿过外铜体底面、外导磁体底面、质量块后与悬臂梁相连。

作为一种优选方式，所述刚性板为实心板，刚性板的横截面为圆形、方形或环形。

作为一种优选方式，所述N极磁环与S极磁环均为永磁铁。

作为一种优选方式，所述内铜体与外铜体均为由纯铜制成的低电阻导体。

作为一种优选方式，所述内导磁体与外导磁体均由纯铁制成。

作为一种优选方式，所述连接直杆通过第一螺栓与顶板相连。

作为一种优选方式，所述外导磁体、外铜体、内铜体、内导磁体、N极磁环、S极磁环、调节杆、质量块均同轴心。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，采用悬臂梁作为弹簧元件，环形紧凑式布置悬臂梁，不仅将大吨位调谐质量分散为环形分布的小质量块并环形布置于各悬臂梁端部，改变悬臂梁设计尺寸即实现多重调谐质量阻尼器的分布式频率特征，结构紧凑，减小了TMD安装空间，将TMD最大化分布于被控主振型最优位置，提高减振效率与频域控制鲁棒性。能适应安装空间受限的楼板，梁高较小的人行桥等结构，悬臂梁尺寸设计简便。

第二，采用双套环电涡流阻尼器，改进了导体切割磁感线方式，增大了铜体切割磁场磁感线面积与阻尼比，增大电涡流出力效率，避免磁能浪费，进一步缩小阻尼器尺寸，拓宽电涡流阻尼器的安装适用范围，同时寿命长，效率高，易于维护，阻尼易调节。

附图说明

图1为本发明一实施例的三维结构示意图。

图2为图1去掉顶板后的结构示意图。

图3为电涡流阻尼器、质量块与悬臂梁的结构关系图。

图4为图3的爆炸图。

图5为电涡流阻尼器的剖视图。

其中，1为顶板，2为电涡流阻尼器，3为质量块，4为悬臂梁，5为连接直杆，6为刚性板，7为第一螺栓，8为第二螺栓，9为顶杆，10为外导磁体，11为调节杆，12为螺杆，13为第三螺母，14为外铜体，15为内铜体，16为内导磁体，17为N极磁环，18为S极磁环，19为第二螺母，20为第一螺母，21为第一间隙，22为第二间隙，23为第三间隙，24为第四间隙。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明的一实施例包括顶板1和刚性板6，顶板1底面通过若干根连接直杆5与刚性板6顶面相连，所述刚性板6侧面均匀布置有若干悬臂梁4，悬臂梁4与连接直杆5交错布置，各悬臂梁4的一端与刚性板6侧面相连，各悬臂梁4的另一端顶面对应设有质量块3，各悬臂梁4外端依次通过对应的质量块3、电涡流阻尼器2与顶板1底面相连。

使用时，顶板1安装于被控主结构，悬臂梁4作为弹簧元件，改变悬臂梁4的参数尺寸即可实现多重分布式调谐频率，质量块3锚固于各悬臂梁4端部。

顶板1与刚性板6组成刚性体基础，悬臂梁4均匀分布在刚性板6侧面，其竖向弯曲刚度作为TMD的弹簧元件，采用不同的厚度实现与质量块3的多重分布式调谐频率。

所述质量块3由多个钢板依次堆叠组成，钢板数量可根据需要增减，实现质量块3的模块化设计。钢板表面形状可采用圆形、方形或矩形或其它轴对称形式。

连接直杆5可采用方形、圆形或环形截面，并满足刚度要求。连接直杆5端部采用圆角过渡。

质量块3绕其形心均匀开圆形通孔，通过螺杆12与第一螺母20可拆卸安装于各悬臂梁4端部。

悬臂梁4与刚性板6连接处采用圆角过渡。

所述悬臂梁4为矩形薄板，按照环形均布于刚性板6侧边。悬臂梁4作为多重频率调谐的弹簧元件，通过设计悬臂梁4尺寸参数调节弹簧刚度，各悬臂梁4根据所需调谐频率采用不同厚度，实现分布式频率特征。

各质量块3质量相同，各悬臂梁4厚度不同，悬臂梁4的厚度根据质量块3的质量与最佳调谐参数确定。

各悬臂梁4与质量块3构成一套小质量TMD，所述的各小质量TMD频率按多重调谐分布式频率设计。

悬臂梁4与质量块3一一对应，且不限制数量，可根据总质量比(所有小质量块3总质量与结构某一阶被控模态质量的比值)确定质量块3数量和质量。

悬臂梁4长度不宜过长，最大为被控主结构特征尺寸的10％，以此可保证各调谐质量块3最大化分布于被控主振型最优位置处。

所述质量块3顶面表面积与对应的悬臂梁4上表面积的比值不宜过大。

顶板1形状不限制，起到定位刚性板6与电涡流阻尼器2的作用；刚性板6侧面与悬臂梁4连接，刚性板6截面形状可根据需要调整。

所述电涡流阻尼器2包括顶杆9、外导磁体10、外铜体14、内铜体15、内导磁体16、N极磁环17、S极磁环18、调节杆11，其中，顶杆9顶端与顶板1底面相连，顶杆9底端与外导磁体10外顶面相连，外铜体14设于外导磁体10内，且外铜体14外壁与外导磁体10内壁相接触；内铜体15与内导磁体16顶端均与外铜体14内顶面相连，内铜体15与内导磁体16底端均悬空，内导磁体16设于内铜体15内，且内导磁体16外壁与内铜体15内壁相接触；N极磁环17底端与S极磁环18顶端相连，N极磁环17与S极磁环18均设于内铜体15外且与内铜体15之间具有第一间隙21，N极磁环17顶端与外铜体14内顶面之间具有第二间隙22，S极磁环18底端与外铜体14内底面之间具有第三间隙23；N极磁环17与S极磁环18外壁均与外铜体14之间具有第四间隙24；调节杆11顶端与S极磁环18底部相连，调节杆11底部依次穿过外铜体14底面、外导磁体10底面、质量块3后与悬臂梁4相连。第一间隙21、第四间隙24尺寸根据所需阻尼比及磁通量需要确定。第二间隙22和第三间隙23为电涡流阻尼器2允许的相对位移，此相对位移为质量块3最大行程与安全系数的乘积。

本发明中的双套环电涡流阻尼器2由定子与动子组成，定子通过顶杆9安装于顶板1底面，由内、外两层切割铜体、导磁体组成，动子通过调节杆11与质量块3相连，由N极磁环17、S极磁环18组成，N极磁环17在上，S极磁环18在下，磁环厚度由需要的阻尼比及磁通量确定。空间分布与内外铜体14相同，通过调节杆11与质量块3相连。

质量块3中心开圆形通孔，供调节杆11插入，并通过第二螺母19和第三螺母13锚固于悬臂梁4。

调节杆11可根据电涡流阻尼器2行程及其与质量块3相对位置适当调整长度。

定子运动与被控主结构相同，动子运动与质量块3相同，通过二者的相对运动，产生电涡流阻尼力，抑制主结构及定子的运动。

所述内外铜体14与磁环的相对运动产生电涡流阻尼力。所述动子与定子相对运动的最大行程，由所述分布式质量块3其中的最大控制位移确定，并设定安全系数。

各双套环电涡流阻尼器2阻尼比不同，各悬臂梁4与对应质量块3、电涡流阻尼器2需满足相应的最佳多重调谐条件与最佳阻尼比参数设计。

外导磁体10与外铜体14均为上下封闭的中空圆柱体，外导磁体10外顶面与顶杆9相连，外导磁体10与外铜体14底面均开孔，供调节杆11插入。

外铜体14外径与外导磁体10内径相同，外导磁体10内表面与外铜体14外表面共面，二者紧密贴合。内铜体15内表面与内导磁体16外表面共面，外导磁体10完全包裹外铜体14，构成双套环形式。二者在下底板开同尺寸圆形通孔，用以插入调节直杆；所述外铜体14与外导磁体10的上顶板1及下底板厚度与壁厚相同，壁厚由需要的阻尼比及磁通量确定。

内铜体15内径与内导磁体16外径相同，二者紧密贴合，内铜体15完全包裹内导磁体16，二者无上下顶板1，安装于外铜体14上顶板1的下表面；所述内铜体15与内导磁体16壁厚由需要的阻尼比及磁通量确定。

所述的N极磁环17和S极磁环18形状尺寸相等，且均介于内铜体15与外铜体14之间，N极磁环17和S极磁环18上顶面均开环形孔，所述定子内导磁体16与内铜体15伸入N极磁环17和S极磁环18内；主结构发生振动时，动子与定子产生相对运动，外铜体14与内铜体15侧面同时切割磁环产生的磁感线，由此产生阻碍二者相对运动的感生电动势，形成电涡流效应，为被控主结构提供阻尼力。

各分布式双套环电涡流阻尼器2构件尺寸等设计参数不同，需与最佳调谐条件对应的最佳阻尼比参数进行设计。

双套环电涡流阻尼器2的运动方式及减振机理描述如下：

动子相对定子的运动方向为沿质量块3竖向，即为沿调节杆11轴向运动，磁感线方向分别在磁环内外侧面与顶面由N极指向S极，并穿过外铜体14与外导磁体10(同时穿过内铜体15与内导磁体16)，此时，经由外铜体14、内铜体15的磁场发生改变，产生感应电涡流，由此派生的磁场会阻碍铜导体与磁环的相对运动，这个阻碍相对运动的力即为电涡流阻尼力。电涡流阻尼无摩擦，损耗小，易于安装维护，应用方便。

所述刚性板6为实心板，在满足疲劳及刚度要求下，刚性板6的横截面为圆形、方形或环形。刚性板6采用圆柱形时受力较均匀。在悬臂梁4数量较少时，采用矩形或方形截面。

所述N极磁环17与S极磁环18均为永磁铁，材质为钕铁硼强磁材料，磁环尺寸及厚度根据所要求的阻尼比与磁通量需要确定。磁感线在磁环内由N极指向S极，并穿过内铜体15、内导磁体16。磁感线在磁环外由N极指向S极，并穿过外铜体14、外导磁体10。当动子相对定子作直线运动，定子铜体切割磁感线并产生感应电流，感应电流形成的磁场阻碍铜体与磁环的相对运动，产生电涡流阻尼力，抑制定子与被控结构运动。

所述内铜体15与外铜体14均为由纯铜制成的低电阻导体，设计尺寸及厚度根据所需阻尼比及磁通量需要确定。

所述内导磁体16与外导磁体10均由纯铁制成。内导磁体16与外导磁体10尺寸及厚度根据所需阻尼比及磁通量的需要确定。

所述连接直杆5通过第一螺栓7与顶板1相连，作为刚性连接构件。所述刚性板6厚度由所述悬臂梁4最大厚度及连接直杆5第一螺栓7锚固深度确定，所述刚性板6厚度至少为所述悬臂梁4最大厚度的3倍。

顶杆9通过第二螺栓8与顶板1相连。

所述外导磁体10、外铜体14、内铜体15、内导磁体16、N极磁环17、S极磁环18、调节杆11、质量块3均同轴心。

本发明附图基于特定实例，特定数量悬臂梁4，在特定方向上的单自由度减振控制进行绘制，通过改变部分悬臂梁4与双套环电涡流阻尼器2出力方向的两自由度减振控制方式，以及其他各种变化和等同替换，均不脱离本发明保护范围。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，包括顶板(1)和刚性板(6)，顶板(1)底面通过若干根连接直杆(5)与刚性板(6)顶面相连，所述刚性板(6)侧面均匀布置有若干悬臂梁(4)，各悬臂梁(4)的一端与刚性板(6)侧面相连，各悬臂梁(4)的另一端顶面对应设有质量块(3)，各悬臂梁(4)外端依次通过对应的质量块(3)、电涡流阻尼器(2)与顶板(1)底面相连。

2.如权利要求1所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述电涡流阻尼器(2)包括顶杆(9)、外导磁体(10)、外铜体(14)、内铜体(15)、内导磁体(16)、N极磁环(17)、S极磁环(18)、调节杆(11)，其中，顶杆(9)顶端与顶板(1)底面相连，顶杆(9)底端与外导磁体(10)外顶面相连，外铜体(14)设于外导磁体(10)内，且外铜体(14)外壁与外导磁体(10)内壁相接触；内铜体(15)与内导磁体(16)顶端均与外铜体(14)内顶面相连，内铜体(15)与内导磁体(16)底端均悬空，内导磁体(16)设于内铜体(15)内，且内导磁体(16)外壁与内铜体(15)内壁相接触；N极磁环(17)底端与S极磁环(18)顶端相连，N极磁环(17)与S极磁环(18)均设于内铜体(15)外且与内铜体(15)之间具有第一间隙(21)，N极磁环(17)顶端与外铜体(14)内顶面之间具有第二间隙(22)，S极磁环(18)底端与外铜体(14)内底面之间具有第三间隙(23)；N极磁环(17)与S极磁环(18)外壁均与外铜体(14)之间具有第四间隙(24)；调节杆(11)顶端与S极磁环(18)底部相连，调节杆(11)底部依次穿过外铜体(14)底面、外导磁体(10)底面、质量块(3)后与悬臂梁(4)相连。

3.如权利要求1或2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述刚性板(6)为实心板，刚性板(6)的横截面为圆形、方形或环形。

4.如权利要求2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述N极磁环(17)与S极磁环(18)均为永磁铁。

5.如权利要求2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述内铜体(15)与外铜体(14)均为由纯铜制成的低电阻导体。

6.如权利要求2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述内导磁体(16)与外导磁体(10)均由纯铁制成。

7.如权利要求1或2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述连接直杆(5)通过第一螺栓(7)与顶板(1)相连。

8.如权利要求2所述的用于结构振动控制的紧凑式多重调谐质量电涡流阻尼器，其特征在于，所述外导磁体(10)、外铜体(14)、内铜体(15)、内导磁体(16)、N极磁环(17)、S极磁环(18)、调节杆(11)、质量块(3)均同轴心。