CN110296182B - 一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，该装置包括主结构、一个调谐质量阻尼器(TMD)系统，一个非线性能量阱(NES)系统，将调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合，非线性能量阱弥补调谐质量阻尼器减振频带敏感的缺陷；同时，调谐质量阻尼器克服非线性能量阱对初始能量敏感的问题，提高了系统的鲁棒性。调谐质量阻尼器和非线性能量阱共用一个滑轨，有效减小空间占比。

Description

一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，例如海洋平台、高层建筑、风力机等，具体涉及一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统。
背景技术
调谐质量阻尼器(TMD)系统调节自身频率和主结构振动频率一致，通过TMD和主结构间的相互作用，实现能量从主结构向TMD转移，达到减小主结构振动的目的。例如专利号201710037680，该调谐质量阻尼器将油缸竖直设置，通过调节活塞片调节阻尼实现调频，降低了加工精度要求，但是存在吸振频带窄等问题；非线性能量阱(NES)由阻尼和非线性刚度弹簧组成，主结构受到外激励时，NES利用共振俘获实现靶能量传递(TET)，振动能量通过非线性刚度单向传递到NES并通过阻尼耗散，使振动能量衰减。由于NES具有非线性刚度，无固定频率，可在较宽的频带上减振。例如专利号201520898057，基于非线性能量阱的两自由度吸振器的实用新型专利，一部分能量通过阻尼箱摩擦耗散，另一部分能量通过阻尼箱内椭圆形橡胶体提供的非线性回复力耗散，形成两自由度减振系统，但是该系统存在对初始能量敏感的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，一方面拓宽减振频带，另一方面降低主结构动力响应，增强减振效果。
本发明采用的方案为，一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，包括主结构，主结构表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座，在2个TMD安装支座中点垂直方向设置有NES安装支座，所述TMD安装支座上固接有滑轨，滑轨的上方设置有TMD质量块，TMD质量块两侧均通过连接件与TMD安装支座相连接，连接件上套接有TMD线性弹簧，TMD安装支座和TMD质量块之间还设置有TMD阻尼器，TMD阻尼器的一端固定连接在TMD安装支座上，另一端连接有TMD质量块；所述滑轨的下方设置有NES质量块，NES质量块两侧均依次设置有NES阻尼和NES非线性弹簧，NES非线性弹簧的末端固定连接在主结构上。
本发明的特点还在于，
NES安装支座呈中空结构，在NES安装支座中部与滑轨等高的位置设置有凸台，用于安装TMD质量块。
TMD安装支座和NES安装支座通过螺栓固定在主结构上。
TMD线性弹簧和NES非线性弹簧相互垂直设置。
连接件包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽活动连接至TMD安装支座上，两个部分相互套接。
铰接槽通过螺栓固定在TMD安装支座上。
TMD线性弹簧可以是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧的数量可设置有多个。
NES非线性弹簧通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
TMD阻尼器和NES阻尼选用粘滞阻尼、液压阻尼。
本发明的有益效果为：
1)本发明将调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合，非线性能量阱弥补调谐质量阻尼器减振频带敏感的缺陷；同时，调谐质量阻尼器克服非线性能量阱对初始能量敏感的问题，提高了系统的鲁棒性。
2)调谐质量阻尼器和非线性能量阱共用一个滑轨，有效减小空间占比。
附图说明
图1为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振系统的结构示意图；
图2为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振系统的俯视图；
图3为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振系统中无控制、TMD、NES、TMD-NES混合控制的主结构频率能量图；
图中，1.主结构，2.TMD安装支座，3.NES安装支座，4.滑轨，5.螺母，6.TMD质量块，7.NES质量块，8.TMD线性弹簧，9.TMD阻尼，10.铰接槽，11.滑块，12.螺栓，13.NES非线性弹簧，14.NES阻尼，15.连接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，如图1所示，包括主结构1，主结构1表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座2，在2个TMD安装支座2中点垂直方向设置有NES安装支座3，所述TMD安装支座2上固接有滑轨4，滑轨4的上方设置有TMD质量块6，TMD质量块6两侧均通过连接件15与TMD安装支座2相连接，连接件15上套接有TMD线性弹簧8，TMD安装支座2和TMD质量块6之间还设置有TMD阻尼器9，TMD阻尼器9的一端固定连接在TMD安装支座2上，另一端连接有TMD质量块6；所述滑轨4的下方设置有NES质量块7，NES质量块7两侧均依次设置有NES阻尼14和NES非线性弹簧13，NES非线性弹簧13的末端固定连接在主结构1上。
NES安装支座3呈中空结构，在NES安装支座3中部与滑轨等高的位置设置有凸台，用于安装TMD质量块6。
TMD安装支座2和NES安装支座3通过螺栓12固定在主结构1上。
TMD线性弹簧8和NES非线性弹簧13相互垂直设置。
连接件15包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块6固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽10活动连接至TMD安装支座2上，两个部分相互套接。
铰接槽10通过螺栓12固定在TMD安装支座2上。
TMD线性弹簧8可以是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧8的数量可设置有多个。
NES非线性弹簧13通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
TMD阻尼器9和NES阻尼14选用粘滞阻尼、液压阻尼。
根据具体情况需要选用质量块的材料，例如风力机的控制柜、高层建筑的消防水箱等内部器材等，有效减小被控结构的空间占比。
线性弹簧材料可以是空气弹簧、螺旋弹簧等材料，根据具体需要选择弹簧的数量，可通过选择不同弹簧刚度调节TMD的固有频率。
非线性弹簧可通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
阻尼器可选用粘滞阻尼、液压阻尼等。
本发明的工作原理为，当主结构1受外激励发生振动时，通过TMD的阻尼9、线性弹簧8带动TMD的质量块6在滑轨4上往复滑动，即将主结构一部分能量转移到TMD，TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到主结构上，调谐该惯性力使主结构振动响应衰减；同时通过NES的阻尼14、非线性弹簧13带动NES的质量块7在滑轨4下方往复运动，将另一部分能量单向传递到NES，直接通过NES的阻尼以热能形式耗散，由于其具有非线性刚度，可以锁定多个共振频率，实现宽频吸振。
下面通过具体实施例来证明该混合减振系统的减振效果：
该系统的强迫振动方程如下所示：
Figure BDA0002112786430000051
其中x0、m0、k0、c0分别为主结构的位移、质量、等效刚度、等效阻尼，F为外激励的幅值，ω为外激励的频率；x1、m1、k1、c1分别为调谐质量阻尼器的位移、质量、刚度、阻尼；x2、m2、k2、c2分别为非线性能量阱的位移、质量、刚度、阻尼。
将系统参数无量纲化：
Figure BDA0002112786430000061
Figure BDA0002112786430000062
得到新的动力学方程
Figure BDA0002112786430000063
分别加入无控制、TMD和NES分别进行对比分析，由于频率不同，其运动状态也不同，不能直接比较控制效果，因此采用一段时间内主结构的平均能量E来表示吸振效果，E的表达式如下:
Figure BDA0002112786430000064
设系统参数μ1＝0.05，μ2＝0.05，μ＝0.1，C0＝0.01，C1＝0.002，C2＝0.002，K1＝0.15，K2＝0.15，F0＝0.01，ω0＝1，初始值设为零，振动能量取相对稳定后一段时间内的平均能量，τ∈[400,500]，主结构的频率能量曲线如图3所示。从图3看出，无控制主结构在外激励频率为1时，能量骤增，系统发生共振现象；单TMD控制下显示出现了两处共振峰值，峰值降低了30.5％；单NES控制下减振频带拓宽，且最大能量峰值减小了86.4％；而TMD-NES控制下的曲线包络区域更小，能量峰值减小率高达95.2％，减振效果受频率影响较小。

Claims (9)

1.一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，包括主结构(1)，主结构(1)表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座(2)，在2个TMD安装支座(2)之间设置有NES安装支座(3)，所述TMD安装支座(2)上固接有滑轨(4)，滑轨(4)贯穿NES安装支座(3)，滑轨(4)的上方设置有TMD质量块(6)，TMD质量块(6)两侧均通过连接件(15)与TMD安装支座(2)相连接，连接件(15)上均套接有TMD线性弹簧(8)，TMD安装支座(2)和TMD质量块(6)之间均还设置有TMD阻尼器(9)，TMD阻尼器(9)的一端固定连接在TMD安装支座(2)上，另一端均连接有TMD质量块(6)；所述滑轨(4)的下方设置有NES质量块(7)，NES质量块(7)两侧均依次设置有NES阻尼(14)和NES非线性弹簧(13)，NES非线性弹簧(13)的末端固定连接在主结构(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述NES安装支座(3)呈中空结构，在NES安装支座(3)中部与滑轨等高的位置向上设置有凸台，用于安装TMD质量块(6)。
3.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述TMD安装支座(2)和NES安装支座(3)均通过螺栓(12)固定在主结构(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述TMD线性弹簧(8)和NES非线性弹簧(13)相互垂直设置。
5.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述连接件(15)包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块(6)固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽(10)活动连接至TMD安装支座(2)上，两个部分相互套接。
6.根据权利要求5所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述铰接槽(10)通过螺栓(12)固定在TMD安装支座(2)上。
7.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述TMD线性弹簧(8)是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧(8)的数量可设置有多个。
8.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述NES非线性弹簧(13)通过弹性弦、橡胶材料实现立方刚度。
9.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振系统，其特征在于，所述TMD阻尼器(9)选用粘滞阻尼，NES阻尼(14)选用液压阻尼。
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