CN110056602B - 一种可调频的张拉整体隔振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可调频的张拉整体隔振器，属于振动控制技术领域。该隔振器由多个处于不同预拉伸状态的X形张拉整体结构串联而成，每个X形张拉整体结构由2根梁、2根弹簧和2根杆组成，其中，梁和弹簧分别沿水平和竖直方向交替相连形成一个矩形外框；杆沿该矩形外框的对角线方向进行布置。弹簧和杆通过球铰与上下梁进行连接；不同的X形张拉整体结构之间通过上下梁进行串联。该隔振器可根据实际需求设置X形张拉整体结构的个数和预拉伸状态，通过施加不同拉伸力作用以实现隔振功能的开启和关闭，并在隔振功能开启时实现对隔振频率范围的调节。本发明产品结构简单、合理，利用张拉整体结构特殊的力学性质，实现隔振功能的开闭和调频。

Description

一种可调频的张拉整体隔振器
技术领域
本发明涉及振动控制技术领域，特别是指一种可调频的张拉整体隔振器。
背景技术
张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳单元和预压缩的杆单元相互连接而成。张拉整体结构具有材料利用率高、构型可折叠/展开、力学性质可大范围调节和单体结构便于组装的优点。然而，由于诸多原因，张拉整体结构在目前工程结构设计中很少被作为主流设计方法使用。张拉整体结构在工程实践中的实际应用很少，这主要是由于对这些系统的力学行为认识不足所致。为此，利用X形张拉整体结构特殊的力学性质，本发明公开了一种可调频的张拉整体隔振器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可调频的张拉整体隔振器。
该隔振器由n个处于不同预拉伸状态的X形张拉整体结构串联而成；X形张拉整体结构包括梁构件、弹簧、杆构件组成，其中，梁构件沿水平方向布置，弹簧沿竖直方向布置，梁构件与弹簧交替相连形成一个矩形外框，杆构件沿该矩形外框的对角线方向布置。
其中：
n为大于等于1的整数；串联的每个X形张拉整体结构的弹簧的轴向刚度和初始长度根据隔振功能的需求进行调整。
一个X形张拉整体结构中的梁构件为两根，包括上梁和下梁；弹簧为两根，包括左弹簧和右弹簧；杆构件包括两根；弹簧、杆构件与梁构件之间通过球铰连接。
X形张拉整体结构通过相邻X形张拉整体结构的梁构件中上梁与下梁之间的连接实现串联，连接方式为机械固定，优选打孔并通过螺栓固定。
梁构件、杆构件的材质为轻质高强缓冲吸能材料，包括铝合金、不锈钢以及多孔泡沫金属材料等；弹簧、杆构件与梁构件之间的球铰内含有润滑剂；弹簧与球铰的连接部件可拆卸。
X形张拉整体结构在拉伸力载荷作用下产生变形时存在两个失稳分叉点。在拉伸力达到第一临界力时，结构发生由面内构型模式向面外构型模式的转换；在拉伸力继续增大以达到第二临界力时，结构发生由面外构型模式向面内构型模式的转换。
X形张拉整体结构所安装弹簧的轴向刚度不同、初始长度不同时，X形结构处于的预拉伸状态不同，产生失稳分叉点的临界力值不同。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该隔振器在拉伸载荷作用下，可根据施加力的大小，实现隔振功能的开启和关闭，并在隔振功能开启时实现对隔振频率范围的调节。特定频率范围内的振动控制对象振动后将能量传给隔振器中一端的X形张拉整体结构的梁，进而传递到处于打开状态下的隔振器中，通过隔振器中X形张拉整体结构的弹性连接，将隔绝或减弱振动能量的传递，并通过调节拉伸载荷的大小，实现阻隔不同频率范围的机械振动，从而实现隔振器的隔振和调频功能。
该隔振器可根据实际需要，具体设置X形张拉整体结构的数目及其预拉伸状态，其中预拉伸状态的调整是通过改变弹簧的轴向刚度和初始长度以实现。解决了目前对张拉整体概念在工程实践中的实际应用很少的问题，并利用X形张拉整体结构的力学特性实现了隔振器的开闭和调频功能；同时为控制和消除了各种有害振动或波动，如地震、海浪、噪声以及发动机等由各种旋转不平衡或往复运动导致的振动等，提供了新的途径；为X形张拉整体结构在工程中的应用提供了一种可行的方法。
附图说明
图1为本发明的可调频的张拉整体隔振器的结构示意图；
图2为本发明的可调频的张拉整体隔振器的X形张拉整体结构的载荷-位移关系示意图；
图3为本发明的可调频的张拉整体隔振器的X形张拉整体结构在不同拉伸力作用下的构型示意图，其中，(a)为结构所受拉伸力小于第一临界力时的构型，(b)为结构所受拉伸力处于第一临界力和第二临界力之间时的构型，(c)为结构所受拉伸力大于第二临界力时的构型。
其中：1-梁构件；2-杆构件；31-弹簧一；32-弹簧二；33-弹簧三；34-弹簧四；35-弹簧五；36-弹簧六。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种可调频的张拉整体隔振器。
该隔振器由n个处于不同预拉伸状态的X形张拉整体结构串联而成；X形张拉整体结构包括梁构件1、弹簧、杆构件2组成，其中，梁构件1沿水平方向布置，弹簧沿竖直方向布置，梁构件1与弹簧交替相连形成一个矩形外框，杆构件2沿该矩形外框的对角线方向布置。
其中：
n为大于等于1的整数；串联的每个X形张拉整体结构的弹簧的轴向刚度和初始长度根据隔振功能的需求进行调整。
一个X形张拉整体结构中的梁构件1包括上梁和下梁两根；弹簧包括左弹簧和右弹簧两根；杆构件2包括两根；弹簧、杆构件2与梁构件1之间通过球铰连接。
X形张拉整体结构通过相邻X形张拉整体结构的梁构件1中上梁与下梁之间的连接实现串联，连接方式为机械固定，优选打孔并通过螺栓固定。
梁构件1、杆构件2的材质为轻质高强缓冲吸能材料，包括铝合金、不锈钢以及多孔泡沫金属材料等；弹簧、杆构件2与梁构件1之间的球铰内含有润滑剂；弹簧与球铰的连接部件可拆卸。
本发明的优选实施例如下：
如图1所示，该隔振器包括2种X形张拉整体结构(分别编号为结构1和结构2)，由3个X形张拉整体结构1和3个X形张拉整体结构2交替周期性串联而成。两种X形张拉整体结构分别由2根梁、2根弹簧和2根杆组成，其中，梁沿水平方向进行布置，弹簧沿竖直方向进行布置，梁和弹簧交替相连形成一个矩形外框；杆沿该矩形外框的对角线方向进行布置。同种X形张拉整体结构具有相同性质的弹簧，具体是，3个X形张拉整体结构1中的弹簧(弹簧一31、弹簧三33、弹簧五35)具有相同的轴向刚度和相同的初始长度(不受力时的自然长度)；3个X形张拉整体结构2中的弹簧(弹簧二32、弹簧四34、弹簧六36)具有相同的轴向刚度和相同的初始长度。不同种的X形张拉整体结构具有不同性质的弹簧，具体是，结构1中的弹簧(弹簧一31、弹簧三33、弹簧五35)与结构2中的弹簧(弹簧二32、弹簧四34、弹簧六36)具有不同的轴向刚度或不同的初始长度。X形张拉整体结构1和结构2的不同个体之间通过上下梁进行串联连接。
其中梁构件1和杆构件2适宜使用轻质高强的缓冲吸能材料制成，如采用铝合金梁、不锈钢空心杆。弹簧和杆构件2通过球铰与上梁、下梁进行连接，球铰内加入润滑油以降低摩擦阻力。弹簧与球铰的连接部件为可拆卸的，从而可以根据实际工程需要更换弹簧，实现结构预拉伸状态的调整。结构之间连接时可在上下梁处打孔后通过螺栓进行固定。
如图2所示，X形张拉整体结构在拉伸力作用下产生变形时存在两个失稳分叉点，其临界力计算式为：
Figure BDA0002034024510000041
Figure BDA0002034024510000042
式中：Fc1、Fc2分别为第一临界力和第二临界力，k、l0分别为弹簧的轴向刚度和初始长度，L为杆长，D为同一根梁上的两个球铰之间的距离。
如图3所示，X形张拉整体结构在拉伸力作用下呈现3种构型状态。当结构所受拉伸力小于第一临界力时，其处于面内构型模式，表现为刚性元件性质；当结构所受拉伸力处于第一临界力和第二临界力之间时，其处于面外构型模式，表现为弹性元件性质；当结构所受拉伸力大于第二临界载荷时，其恢复为另一种面内构型模式，再次表现为刚性元件性质。
如图1所示，设置X形张拉整体结构1和结构2的弹簧具有合适的轴向刚度和初始长度，实现两种X形张拉整体结构的第一临界力值和第二临界力值满足关系Fc1＜F′c1＜Fc2＜F′c2，其中Fc1、Fc2分别为X形张拉整体结构1的第一临界力和第二临界力，F′c1、F′c2分别为X形张拉整体结构2的第一临界力和第二临界力。
本发明在拉伸力0≤F≤Fc1时，两种类型X张拉整体结构均未发生变形，都处于面内构型模式、刚性阶段，此时隔振器相当于刚体，处于关闭状态，不具备隔振功能。当隔振器所受拉伸力Fc1＜F＜F′c2时，隔振器中至少有一种X形张拉整体结构处于面外构型模式、弹性阶段，此时隔振功能处于开启状态，其中，拉伸力Fc1＜F≤F′c1时，隔振器中仅有X形张拉整体结构1处于面外构型模式、弹性阶段；拉伸力F′c1＜F＜Fc2时，隔振器中的两种X形张拉整体结构均处于面外构型模式、弹性阶段；拉伸力Fc2≤F＜F′c2时，隔振器中仅有X形张拉整体结构2处于面外构型模式、弹性阶段。因此，打开状态下的隔振器可根据施加拉伸载荷的大小可实现不同组合的开闭，此外，X形张拉整体结构在第一临界力和第二临界力之间载荷与位移均为非线性变化，因而可以通过调节拉伸载荷的大小以改变结构的刚度，实现隔振器的调频功能。当隔振器所受拉力F≥F′c2时，两种X形张拉整体结构均已转换至面内构型模式，均处于刚性阶段，隔振器的隔振功能再次处于关闭状态。
在工作时，需要预先对隔振器施加拉伸载荷，使隔振器开启隔振功能。特定频率范围内的振动控制对象振动后将能量传给隔振器中一端的X形张拉整体结构的梁，进而传递到处于打开状态下的隔振器中，通过隔振器中X形张拉整体结构的弹性连接，将隔绝或减弱振动能量的传递，并通过调节拉伸载荷的大小，使隔振器中两种X形结构处于弹性阶段的不同组合，实现阻隔不同频率范围的机械振动，从而实现隔振器的隔振和调频功能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可调频的张拉整体隔振器，其特征在于：由n个处于不同预拉伸状态的X形张拉整体结构串联而成；X形张拉整体结构包括梁构件(1)、弹簧、杆构件(2)组成，其中，梁构件(1)沿水平方向布置，弹簧沿竖直方向布置，梁构件(1)与弹簧交替相连形成一个矩形外框，杆构件(2)沿该矩形外框的对角线方向布置；
所述n为大于1的整数；串联的每个X形张拉整体结构的弹簧的轴向刚度和初始长度根据隔振功能的需求进行调整；
所述X形张拉整体结构中的梁构件(1)包括上梁和下梁；弹簧包括左弹簧和右弹簧；杆构件(2)包括两根；弹簧、杆构件与梁构件之间通过球铰连接。
2.根据权利要求1所述的可调频的张拉整体隔振器，其特征在于：所述X形张拉整体结构通过相邻X形张拉整体结构的梁构件(1)中上梁与下梁之间的连接实现串联，连接方式为机械固定。
3.根据权利要求2所述的可调频的张拉整体隔振器，其特征在于：所述机械固定为打孔并通过螺栓固定。
4.根据权利要求1所述的可调频的张拉整体隔振器，其特征在于：所述梁构件(1)、杆构件(2)的材质为轻质高强缓冲吸能材料，包括铝合金、不锈钢、多孔泡沫金属；弹簧、杆构件(2)与梁构件(1)之间的球铰内含有润滑剂；弹簧与球铰的连接部件可拆卸。
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