CN110446819A - 具有膜液-气界面的调谐液体阻尼器 - Google Patents

具有膜液-气界面的调谐液体阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种调谐液体阻尼器，包括具有两个端部的第一外部壳体，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体。管道可适于允许气体在第二端部与第二外部壳体之间流动。该调谐液体阻尼器还可包括：第一膜和第二膜，各自附设到第一外部壳体内部，以及位于第一外部壳体内的由第一膜和第二膜限定的密封隔室。密封隔室可以至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动至第二端部。

Description

具有膜液-气界面的调谐液体阻尼器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月28日提交的题为“TUNED LIQUID DAMPER WITH AMEMBRANE LIQUID-GAS INTERFACE(具有膜液-气界面的调谐液体阻尼器)”的美国临时申请第62/464,639号、以及于2018年2月23日提交的题为“TUNED LIQUID DAMPER WITH AMEMBRANE LIQUID-GAS INTERFACE(具有膜液-气界面的调谐液体阻尼器)”的美国专利申请第15/904,040号的权益，将每个申请的内容整体通过引用结合于本文中。
技术领域
本公开涉及一种具有至少一个膜液-气界面(“TLDM”)的调谐液体阻尼器，在选择方面，当附着到高的建筑物或者结构(例如摩天大楼和塔)时，其提供了一种适合减少风致和其他振动的阻尼器装置。
背景技术
高的建筑物通常需要补充阻尼以在暴风雨期间将风致振动保持在多数居住者难以觉察的等级上。阻尼装置已经发展到能够将结构振动减轻到不同程度。然而，本领域目前已知的一般实施方式中的每个都受到这些装置所基于的结构和物理原理的固有限制。例如，基于固体质量配重的装置(比如调谐质量阻尼器(“TMD”)和主动质量阻尼器(“AMD”))都是昂贵并且沉重的(例如，重达上百吨)。这些实施方式例如基于建筑物的摆动通过摆动或者滑动固体质量配重来操作。然而，固体质量配重减少了建筑物内可出租的楼层空间的量并且通常需要大量定制，因此增加了成本。替代的基于液体的阻尼器系统(例如传统的调谐液体阻尼器(“TLD”))在现有技术中是已知的，当建筑物摆动时其起到“晃动的箱(sloshtank)”的作用，从而吸收振动能量。和固体质量阻尼器一样，传统的TLD承受由于这些装置的定制性能、与维护一大箱液体相关的的维护成本以及再次提到的可出租的楼层空间的伴随损失而造成的增加的成本。
调谐液柱阻尼器(“TLCD”)是一种替代的基于液体的阻尼器解决方案，其部分地缓和了传统TLD的缺点。标准的TLCD是填充水的U型箱，并且其尺寸设计成使得箱中的水以与风致建筑物运动相同的频率自然地振荡。例如，在暴风雨期间，在箱中振荡的水消耗传递至建筑物的风能。TLCD的限制在于，它被设计为调谐至特定频率，并且在没有对已完成的阻尼器进行大量改进的情况下无法调谐至不同频率。进一步地，TLCD通常需要大量的水平空间并且因此不能安装在具有小的或窄的占地面积的建筑物内，例如在城市发展中变得越来越流行的修长的摩天大楼。此外，当运动的幅度变化时，TLCD中水的运动不持续地消耗能量。最后，TLCD箱通常由混凝土制成，随着时间的推移可能泄露，从而增加了成本。
标准的TLCD的缺点可通过替代的实施方式部分地解决，该实施方式包括与标准的TLCD相似的填充水的U型管，但是在一个端部加盖有气弹簧(“弹簧TLCD”)。气弹簧是气体的围封体积与水表面之一接触。当水表面上升时，气体压缩并且将水向下推回。相反，当水表面下降时，气体膨胀并且将水向上拉回。气弹簧的刚度取决于封闭的气体的围封体积，在安装阻尼器后，该围封体积能通过可运动的插塞来调整。气弹簧允许弹簧TLCD与标准的TLCD相比调谐至更宽的频率范围。然而，弹簧TLCD仍然受到其中气弹簧的可调整刚度仅能添加到U型管的重力引起的刚度上的实质限制。因此，弹簧TLCD的总刚度永远不会小于重力引起的刚度，它太大而无法将阻尼器调谐至非常高的建筑物的低频率。因此，在高宽比超过10的高的建筑物(例如，细长的摩天大楼)中不能依靠弹簧TLCD有效地抑制风致振动。进一步地，TLCD所需要的竖直端部是突出的并且减少了结构内的可行的放置位置的数量。鉴于标准的和弹簧TLCD以及本领域中已知的其他阻尼器装置(例如，固体质量装置、活塞和基于波纹管的装置)的这些缺点，存在对与当代的结构(特别是在现代建筑中变得越来越流行的纤薄的摩天大楼)兼容的有效的振动阻尼器解决方案的需求。此外，存在对相比于现有技术的系统(其通常在初始安装之后难以修改)可以容易地调整的阻尼器的需求。
发明内容
本公开提供了具有膜液-气界面的TLDM的各种构造，其减少或者消除了本领域中的上述问题。此外，本公开的所选择的方面提供了如在下文详细描述的其他益处和解决方案。
在第一示例性方面中，根据本公开的TLDM包括：具有两个端部的第一外部壳体，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，管道适于允许气体在第二端部和第二外部壳体之间流动；第一膜和第二膜，各自附设到第一外部壳体的内部；以及位于第一外部壳体内部的密封隔室，由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动到第二端部。
在本文中公开的任何示例性方面的选择方面中，密封隔室可以完全填充液体。
在选择方面中，第二外部壳体包括附设到第二外部壳体的内部周缘的可变位置插塞，该插塞可定位成允许调整储存在第二外部壳体内的气体的体积。
在选择方面中，第一膜和第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着第一外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，第一膜和第二膜是柔性的并且适于允许填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，第一外部壳体和第二外部壳体适于响应于填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级。
在选择方面中，管道适于允许调整管道的长度或者宽度中的至少一者。
在第二示例性方面中，根据本公开的TLDM包括具有两个端部的外部壳体，第一端部通向大气，并且第二端部是位于外部壳体内的密封的、填充气体的腔室；附设到腔室的内部周缘壁的分离件，该分离件在腔室内限定第一分割区(partition)和第二分割区，并且该分离件具有允许气体在第一分割区和第二分割区之间流动的开口；第一膜和第二膜，各自附设到外部壳体的内部；以及位于外部壳体内的密封隔室，由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过外部壳体流动到第二端部。
在选择方面中，分离件是可变位置分离件，其适于允许分离件沿着腔室的轴线重新定位并调整储存在第一分割区和第二分割区的每一者中的气体的体积。
在选择方面中，第一膜和第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，第一膜和第二膜是柔性的并且适于允许填充液体的隔室沿着外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，第一分割区和第二分割区适于响应于填充液体的隔室沿着外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级。
在选择方面中，分离件的开口适于允许调整开口长度或者宽度中的至少一者。
在第三示例性方面中，根据本公开的TLDM包括第一外部壳体，该第一外部壳体具有：第一端部，通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，管道适于允许气体在第一端部和第二外部壳体之间流动；第二端部，通过管道连接至填充气体的第三外部壳体，管道适于允许气体在第二端部和第三外部壳体之间流动；第一膜和第二膜，各自附设到第一外部壳体的内部；以及位于第一外部壳体内的密封隔室，由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动至第二端部。
在选择方面中，第二外部壳体或者第三外部壳体中的至少一者包括附设到相应外部壳体的内部周缘的可变位置插塞，该插塞适于允许调整储存在相应外部壳体内的气体的体积。
在选择方面中，第一膜和第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着第一外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，第一膜和第二膜是柔性的并且适于允许填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，(a)第一外部壳体和第二外部壳体适于响应于填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级；和/或(b)第一外部壳体和第三外部壳体适于响应于填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器设置提供的减振的频率和等级。
在选择方面中，连接壳体的管道中的至少一者适于允许调整管道长度或者宽度中的至少一者。
在第四示例性方面中，根据本公开的TLDM包括：具有第一端部和第二端部的第一外部壳体，每个端部通过单独的管道连接至填充气体的第二外部壳体，其中管道适于允许气流在第一外部壳体和第二外部壳体之间流动；第一膜和第二膜，各自附设到第一外部壳体的内部；位于第一外部壳体内的密封隔室，由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动至第二端部；分离件，附设到第二外部壳体的内部周缘，其将第二外部壳体分割为第一腔室和第二腔室，并且限定储存在第一腔室和第二腔室中的气体的体积。
在选择方面中，分离件是可变位置分离件，其适于允许分离件沿着第二腔室的轴线重新定位，使得重新定位分离件同时调整储存在两个腔室内的气体的体积。
在选择方面中，第一膜和第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着第一外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，第一膜和第二膜是柔性的并且适于允许填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，第一外部壳体和第二外部壳体适于响应于填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级。
在选择方面中，连接壳体的管道的至少一个适于允许调整管道的长度或者宽度的至少一者。
在第五示例性方面中，根据本公开的TLDM包括：具有两个端部的外部壳体，每个端部是密封的并且在外部壳体内形成填充气体的腔室；第一分离件，附设到第一端部腔室的内部周缘，第一分离件在第一端部腔室内限定第一分割区和第二分割区，并且第一分离件具有允许气体在第一分割区和第二分割区之间流动的开口；第二分离件，附设到第二端部腔室的内部周缘，第二分离件在第二端部腔室内限定第一分割区和第二分割区，并且第二分离件具有允许气体在第一分割区和第二分割区之间流动的开口；第一膜和第二膜，各自附设到外部壳体的内部；以及位于外部壳体内的密封隔室，密封隔室由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动到第二端部。
在选择方面中，分离件中的至少一者是可变位置分离件，其适于允许分离件在它的相应腔室内重新定位并且调整储存在相应腔室的分割区内的气体的体积。
在选择方面中，第一膜和第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，第一膜和第二膜的是柔性的并且适于允许填充液体的隔室沿着外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，每个腔室的第一分割区和第二分割区适于响应于填充液体的隔室沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，每个气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级。
在选择方面中，分离件中的至少一者的开口适于允许调整开口的长度或者宽度中的至少一者。
在第六示例性方面中，根据本公开的TLDM包括：具有两个端部的第一外部壳体，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，管道适于允许气体在第二端部和第二外部壳体之间流动；膜，附设到第一外部壳体的内部，其防止气体从第一端部通过第一外部壳体流动至第二端部；以及包含在第一外部壳体内部的液柱，由膜限定并且穿过第一外部壳体朝向第一端部延伸。
在选择方面中，第一外部壳体的第一端部的至少一部分沿着大体上竖直的轴线延伸以形成竖直部分，并且液柱结束在竖直部分中。
在选择方面中，膜是构造成允许附设点沿着第一外部壳体的纵向轴线重新定位的可变位置膜。
在选择方面中，膜是柔性的并且适于允许液柱沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移。
在选择方面中，第一壳体和第二壳体适于响应于液柱沿着第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，该气弹簧适于控制由阻尼器提供的减振的频率和等级。
在其他方面中，公开了减振系统，这种系统包括附设到结构(例如，需要减振的高的建筑物)的根据本公开的任何方面的一个或者多个TLDM，其中一个或者多个TLDM中的至少一个构造成产生减小结构的振动的力。
在仍然其他方面中，公开了减小结构的振动的方法，该方法包括：将根据本公开的任何方面的至少一个TLDM附设到需要减振的结构，并且基于由至少一个TLDM产生的力来减小结构的振动。
本公开的示例性方面的这种简化的概述用于提供对本发明的基本理解。该概述不是对所有预期的方面的广泛概述，并且既非旨在确认所有方面的关键元件或重要元件，也非旨在描绘本发明的任何方面或所有方面的范围。它的唯一的目的是，作为接下来的本发明的更详细描述的序言以简化的形式呈现一个或者多个方面。为了完成前述内容，本发明的一个或者多个方面包括所描述的特征，并且特别是权利要求书中指出的特征。
附图说明
图1A是根据本公开的第一示例性方面的TLDM的横截面图。
图1B是根据图1A中所示方面的TLDM的透视图。
图2A是根据本公开的第二示例性方面的TLDM的横截面图。
图2B是根据图2A中所示方面的TLDM的透视图。
图3是根据本公开的第三示例性方面的TLDM的横截面图。
图4是根据本公开的第四示例性方面的TLDM的横截面图。
图5是根据本公开的第五示例性方面的TLDM的横截面图。
图6A是根据本公开的第六示例性方面的TLDM的横截面图。注意，在下文描述的实验期间，在此图中标记为“隔室B”的较小隔室定位在水柱的侧面。此图中隔室B被示出在主隔室上方仅为了简化说明。
图6B是图6A中所示示例性方面的照片。
图7A是示出包含两个气弹簧的TLDM的示例性方面的示意图。
图7B是示出图7A中所示左侧气弹簧位于静止(左)和膨胀(右)的详细视图的示意图。这个示意图用来推导应用于上文描述的所有阻尼器构造的气弹簧的等式。
图7C是示出如在实验1中推导出的施加于代表性气弹簧的力的模型。
图8A是在实验2中测试的TLDM的照片。
图8B是示出在实验2中测试的测试设置的示意图。
图8C是示出在实验2中检查的测试设置的阻尼器模型性能的示意图。
图9A是示出在实验2期间记录的桌子位移的曲线图。
图9B是示出在实验2期间记录的气弹簧超压的曲线图。
图9C是示出桌子(左)和水(右)的理论位移值理论位移值与载荷频率的一对曲线图，其确认了在实验2期间记录的实验结果。
图10A是示出在实验3期间记录的气弹簧超压的曲线图，其使用如图6A和图6B所示的测试设置。
图10B是示出在实验3期间记录的水柱位移的曲线图，其使用如图6A和图6B所示的测试设置。
具体实施方式
本文在TLDM的背景下描述本公开的示例性方面，其各种方面适于在结合到高的建筑物或者结构(例如摩天大楼和塔)时减少振动。本领域的普通技术人员将意识到，下文的描述仅仅是示出性的，而并非旨在以任何方式进行限制。其他方面将容易启发那些已受益于本公开的本领域技术人员。现在将详细参考如附图所示的示例方面的实施方式。贯穿附图以及下文的描述，将尽可能使用相同的参考指示符指代相同或者相似的项目。
图1A是根据本公开的第一示例性方面的TLDM的示意图。根据本方面的TLDM包括具有第一端部和第二端部的伸长的第一外部壳体。第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，管道适于允许气体在第二端部和第二外部壳体之间流动，导致气弹簧具有体积“V”。第一外部壳体进一步包括：第一膜和第二膜，各自附设在第一外部壳体的内部；以及位于第一外部壳体内的密封隔室，由第一膜和第二膜限定并且至少部分地填充液体(例如，具有长度“L”以及面积“A”的“液柱”)。该密封隔室防止气体从第一端部通过第一外壳流动至第二端部。如图1A所示，第二外部壳体可包括附设于第二外部壳体的内部周缘的可变位置插塞，该插塞被定位成允许调整储存在第二外部壳体中气体的体积。
在这个示例性方面中，第一外部壳体和第二外部壳体通过管道连接。然而，在替代方面中，基于给定实施方式的需要以及用于由连接的壳体(例如，壳体之间一个或者多个通道、孔、管、或者其他孔口)形成的气弹簧的预期参数，可以使用允许气体在这些壳体之间流动的其他结构。此外，第一壳体和第二壳体可以形成为在单个壳体内互相连接的隔室或者腔室，如由本文中的其他示例性方面所示出的。在这些方面中，管道可以改为由例如其中具有一个或者多个孔口的分离件元件代替，该孔口允许气体在分离的隔室或者腔室之间流动。在一些方面中，管道(或相同的元件)的孔径和/或长度可以调整，以允许使用者或者装置根据需要响应于各种振动状况调谐气弹簧参数。应理解的是，这些修改也可以应用于本文中描述的其他示例性方面。例如，由图3和图4示出的示例性方面可以修改成结合有如图2所示的分离件元件以取代一个或者两个连接壳体的管道。对于示出的具有分离件元件的示例性方面，相似的修改是可能的，例如，如图2所示的示例性方面可以修改成以管道代替分离件元件。
如上文所指出的，图1的示例性方面也示出了结合有附设到第二壳体内部的可变位置插塞。气弹簧可以通过选择具有给定体积的第二壳体并且省略这个元件来调谐。然而，可变位置插塞通过允许使用者或者装置根据需要响应于各种振动状况调整储存在第二外部壳体内的气体的体积来提供便利。应理解的是，本文中描述的任何膜、插塞以及分离件可以构造成可变位置元件，允许元件重新附设于相关联的壳体内的不同位置。在一些方面中，可变位置元件将构造成允许沿着其中包括该可变位置元件的壳体的纵向轴线重新定位。
在这个示例性方面中，外部壳体被示出包括液体和单个气弹簧(即，由第一外部壳体的第二端部和第二外部壳体之间的连接形成的填充气体的隔室)。液体通过柔性膜与气弹簧分离，该柔性膜允许液柱响应于纵向力在外部壳体内沿着纵向轴线部分地移位。朝向气弹簧的位移压缩储存在填充气体的腔室中的气体，导致在相反方向上产生力。通过调整气弹簧的参数(例如，通过调整膜或可变位置插塞中的至少一者的位置或者通过改变分离气弹簧的腔室的孔口的大小)控制(“调谐”)刚度和阻尼量。从气弹簧中分离液体的膜的使用相比于现有技术中已知的基于重力的TLCD提供了很大优势。基于重力的TLCD的频率通过液柱的长度设置，并且当振荡时通过对液体施加力以通过门闸而使能量耗散。一旦它被建立，基于重力的TLCD仅能通过调整箱的竖直部分中的液体等级而调谐到窄范围的频率。如上文指出的，已经开展了以气弹簧元件为特征的改善的TLCD。然而，这样的设计不能提供能够用于抑制细长的建筑物或者具有窄的或者小的占地面积的建筑物的解决方案，从而由于建筑物的高度需要低频率(f)，而且建筑物的长度(L)受建筑物的宽度和/或深度限制。对比之下，通过图1A示出的示例性方面使用柔性膜而非重力，以分离装配有可调整的气弹簧的TLDM的液体和气体。这消除了重力对阻尼器的刚度的影响，因此使得可以将阻尼器调谐至传统的基于重力的TLCD的范围之外的低频率，并且允许它在细长的或者窄的建筑物上使用。为了清楚起见，图1B提供这个相同示例性方面的示意图。如通过这个示意图示出的，根据本公开的TLDM也可以省略TLCD所需的竖直端部，导致允许更多的放置选择(例如，楼层之间)的不那么突出的设计。
根据本公开的TLDM中使用的柔性膜可以包括单种材料、多种材料组成的复合材料、或者结构化为包括两层或者更多层的层压件，其中每层由单种材料或者复合材料组成。所选的用于柔性膜的单种材料或者多种材料在任何给定方面的特性将基于实施方式的需要而变化。在一些方面中，材料可以是防水的或者设计为抵制膜结合隔室中包含的特定液体。膜也可以由抗腐蚀材料构成。在一些方面中，材料是可伸缩的(例如，弹性聚合物)。在其他方面中，材料可以是不可伸缩的材料或者大体上不可伸缩的材料。由于液体移位，不可伸缩的材料可特别适合于其中膜构造成允许折叠和展开而不是伸缩的实施方式中。在选择方面中，膜包括具有至少两层(例如，防水的面向液体的层和面向气体的提供结构支撑的层)的层压件。例如，膜可以包括层压至基体材料(例如，芳纶)的防水层(例如，具有沉积的氯丁橡胶涂层的尼龙66)。在一些方面中，在膜内包括的液体可以包括化学物质或者盐(例如，以防止冻结、微生物生长、和/或以增加质量)。因此，一些方面可以从由抵抗任何化学物质或盐的材料形成的膜中获益。
TLDM中包括的膜、或者多个膜可以使用任何适于给定实施方式的方法或者结构附设在TLDM的内部。在一些方面中，膜可以使用夹紧系统(例如，安装在外部壳体内部的环可以构造成膨胀，通过挤压膜和外部壳体之间的膜将膜锁定到位)附设。膜也可以使用化学胶合更长期性地附设。可变位置实施方式可以利用夹紧系统或者其他允许膜附设点的移动的机械装置。在一些方面中，外部壳体可以被制造为具有一个或者多个允许插入膜的槽的一系列模块部分。这样的设计允许容易地移除一部分，使得膜能够被检修或者替换。可充气的临时障碍物也可以结合到模块系统内，以帮助膜维修，而不需要完全抽干TLDM。可充气的临时障碍物可以包括例如能插入到TLDM的外部壳体内并且充气的气球。
根据本文中公开的这个或者任何其他示例性方面的TLDM可以修改，以包括适于特定实施方式的附加特征。例如，在任何一对隔室(例如，在第一外部壳体和第二外部壳体之间)之间的开口或者孔口可以沿着任何维度调整。例如，可以提供增加或者减小孔口的孔径的机构。该机构可以设计成在维护期间允许用于调谐或者在一些方面中可以允许实时调整。例如，调整机构可以构造成与一个或者多个传感器和/或响应于当前风况控制给定开口或孔口的尺寸的计算机连通。在仍然其他示例性方面中，根据本公开的TLDM可以包括压载物(例如密闭容器)，其可以插入到TLDM的外部壳体中或者从TLDM的外部壳体移除，以控制壳体的体积，提供了另一调谐TLDM的装置。
图2A是根据本公开的替代示例性方面的TLDM的示意图。该实施方式示出了成直线设计，其与图1A的设计的不同之处在于，其中气弹簧缺少可变位置插塞。然而，气弹簧的参数通过可变位置膜和可变位置分离件保持是可调整的。为了清楚起见，图2B提供了该相同示例性方面的示意图。
图3是根据本公开的替代示例性方面的TLDM的示意图。如由此图示出的，图1A的一般设计可修改为结合有第二气弹簧。在这个方面中，在图1A中伸长的壳体左侧通向大气的第一端部改为由与第一气弹簧呈镜像构造的第二气弹簧取代。注意，每个气弹簧使用存在于每个相应的气弹簧中的可变位置插塞而可单独调谐。对于一些实施方式，双气弹簧系统可能是更优选的，因为，它能通过气弹簧的减压而调谐成在比单气弹簧系统更低的频率下提供阻尼。
图4是根据本公开的替代示例性方面的TLDM的示意图。这个特定实施方式对于示出其中伸长的外部壳体完全密封的构造(即，没有一侧通向大气)是显著的。因此，液柱用于将外部壳体分为两个气弹簧隔室，其在这个示例性方面中，这些隔室由同时控制两个气弹簧的体积的单个可变位置分离件分离。因此，在任一方向上调整分离件的位置同时在阻尼器的频率上具有净效应。
图5是根据本公开的替代示例性方面的TLDM的示意图。此方面与由图2A示出的方面大体上相似，但是处于密封构造内(即，第一端部不再通向大气)。此外，此图示出TLDM可以通过调整一个或者两个膜以及作为本实施方式的特征的两个气弹簧中的每个包括的可变位置分离件的位置来调谐。
图6A是根据本公开的替代示例性方面的TLDM的示意图。此方面与图2A中示出的方面的相似之处在于，外部壳体包括位于第一端部的单个气弹簧和位于第二端部的通向大气的开口。然而，这些方面基于使用单个膜代替图2A和其他示例性方面中示出的双膜构造这一事实而在结构上是可区分的。在这个例子中，液柱穿过外部壳体延伸，在第二端部形成竖直柱，该第二端部向上弯曲并且通向大气。此方面进一步示出基于本公开的实施方式的气弹簧能结合有传统的基于重力的TLCD的各方面，以形成混合系统。注意，在该示例性方面中，液柱大体上穿过外部壳体的全部长度延伸；然而，在其他方面中，液柱可以仅部分地穿过外部壳体延伸，或者至少直到其中外部壳体沿着竖直轴线取向的位置。测试图6A中示出的混合系统，以证明膜界面的低刚度和阻尼，如下文在示例3中所描述的。
在本公开的进一步方面中，提供基于本文中公开的TLDM的减振系统。需要减振时，公开的TLDM中的一个或多个可以附设到结构。TLDM可以平行地布置(例如，沿着相同或者大体上相似的轴线以抵消振动)。替代地，在一些实施方式中，TLDM可以彼此垂直地布置或者布置成不规则放置构造。TLDM中的一个或者多个可以构造成响应于使用者输入或者电信号启动或者调整阻尼量。例如，可以通过启动和/或调整阻尼的等级的计算机来控制TLDM，以补偿通过一个或者多个传感器检测到的风致振动的当前等级。例如，可以使用一个或者多个放置于建筑物或者其他结构上的传感器检测风速和/或风向，并且该数据可以传递至构造成启动和/或控制用于抑制建筑物或其他结构的振动的一个或者多个TLDM的计算机。在一些方面中，作为给定TLDM中的特征的可变位置元件(例如插塞、分离件、膜)的重新定位可以受到通过自动化系统的相似控制和调整。仍然进一步方面可以仅包括任何前述修改，或者除了任何前述修改之外还包括计算机控制的任何开口或者孔口(例如，根据本文中公开的示例性方面的TLDM的第一外部壳体和第二外部壳体之间的开口)的尺寸的调整。
在仍然进一步方面中，公开了在结构中减小振动的方法。这些方法包括将根据本文中公开的任何方面的TLDM附设到需要减振的结构上，并且基于通过TLDM产生的力来减小结构的振动。该结构可以是任何需要减振的物体(例如，建筑物、摩天大楼、纪念碑或者任何其他形式的建筑)。
示例
示例1：气弹簧模型的推导
本文中公开的TLDM的刚度和阻尼由气弹簧控制。如上文所描述的以及由提供的附图所示出的，气弹簧可以由通过膜与液柱分离的气体的围封体积形成并且分成两个隔室，在这两个隔室之间具有开口或者孔口。用于这种类型的气弹簧的数学模型在下文中基于图7A中示出的示例性方面推导。出于此分析的目的，假设弹簧内的气体是理想的并且当弹簧膨胀和收缩时将经受等熵变换。在这些假设下，弹簧中任何给定质量的气体的体积V和压力P遵从下面的等式1，其中γ是气体的热容比：
PVγ＝常数 (1)
图7B中示出弹簧的模型。VA和VB是两个处于静止的隔室的体积，并且P0是静止时的均匀压力。A是液柱的面积，并且A0是气体隔室之间的开口的面积。当液柱经历位移u时，气体隔室内的压力已变化了ΔPA和ΔPB，并且气体的体积ΔVB已从隔室B流入隔室A中，其中气体的体积已变成ΔVA。如图7B所提供的表示将气体分离成经历体积和压力的不同变化的3块，并且以上陈述的等式1适用每块：
从隔室B流入隔室A中的气体：
留在隔室A中的气体：
留在隔室B中的气体：
压力变化是线性的，假设液柱的位移u足够小：
根据泰勒级数，由于
在(4)中根据泰勒级数，由于
位移v被定义为隔室之间交换的气体的体积的测量值：
以下力和刚度被定义为：
FC＝FA-FB＝(ΔPB-ΔPA)A (10)
压差ΔPB-ΔPA控制隔室之间的流速并且因此控制速度流速取决于开口的特性。如果开口是穿过薄壁的孔口，则流速遵从下面的等式11，其中A0是孔口的面积，ρg是气体的质量密度，并且λ是用于孔口形状的无量纲参数：
根据上文中阐述的等式8、9和12，气弹簧被建模为两个线性弹簧和一个非线性阻尼元件的组合，如由图7C示出的。
公开的TLDM的气弹簧在很多方面设计成具有低阻尼，并且在这种情况下，阻尼器的频率通过它的弹簧的静态刚度设定。当V0使静止时的弹簧的总体积时，弹簧的静态刚度是：
使用上文提供的等式，可以推导用于示例性方面以及本文公开的各种其他TLDM实施方式的气弹簧参数，允许装置构造成可以根据需要调整或者“调谐”以补偿各种振动参数。
示例2：测试TLDM
如图8A中所示，根据本公开的示例性方面的TLDM的比例模型安装在代表欠阻尼结构的两层桌子上。这个实验模型的参数被总结在图8B和图8C中。
没有阻尼器，桌子的第一动态模型具有周期Tt＝0.81s，阻尼比ξt＝1.7％并且模型质量μt＝245Kg。图8A中示出的阻尼器模型被设计为具有和桌子相同的周期：
气弹簧压力：P0＝Patm+ΔP0＝1.013 105 Pa
水质量是桌子模型质量的4.5％。尽管阻尼比的精确值将通过试验确定，在气弹簧中使用相对大的孔口，以在阻尼器中具有低阻尼。通过打开或者关闭气弹簧上的闸门能启动或者停止TLDM。当闸门关闭时，弹簧的刚度显著增加并且有效地防止水质量的位移。
测试包括在连续载荷的条件下启动和停止阻尼器。在整个测试的过程中，对安装在桌子下层上的振动器施加恒定数值的周期力。将振动周期设定为将具有停用的阻尼器的质量的桌子的共振频率设定为0.83s。阻尼器在测试开始时停用，然后启动1分钟，然后再停用。如图9A和图9B所示，桌子的位移和气弹簧的超压被记录。
阻尼器使桌子的振动减少了93％，从1.38cm减至0.10cm。当TLDM启动时，气弹簧中的超压以幅度ΔP＝0.85％atm变化，并且水柱的相应位移uw通过将等式1应用于整个气弹簧来获得：
考虑到桌子的性能以及TLDM的质量和频率，桌子响应中减少的94％和水位移的1.01cm幅度都和TLDM中3.5％的阻尼比一致。图9C示出在假设TLDM具有3.5％的阻尼比的情况下，在与实验中相同数值但是在一定频率范围下施加的载荷下桌子和水位移的理论幅度。这个测试证明本公开的TLDM可以被构造为以低固有阻尼起作用。
示例3：测试TLDM的进一步示例性方面
测试图6A中所示的混合TLDM系统以证明膜界面的低刚度和阻尼。图6B提供实验设置的照片。如由图6A所示，测试设置包括在一个端部具有气弹簧且在另一个端部通向大气的水柱。由于位于敞开端部的水头，气弹簧在静止时的压力比大气压力高ΔP0。气弹簧的刚度由等式14给定，对于空气使用γ＝1.4：
忽略膜的刚度，系统的总刚度k通过在敞开端部仅增加重力刚度来获得，其中ρw是水的质量密度并且g是重力加速度：
k＝ks+ρwgA＝5，366N.m-1
那么系统的周期T是：
测试包括从静态位移释放水柱并且监控随后的系统振荡。通过对气弹簧充气以施加5cm的初始位移并且然后在使额外气体从弹簧逸回之前在敞开端部的顶部安装盖。然后通过突然从敞开端部移除盖来放掉水柱，并且记录气弹簧中的超压，如图10A中所示。
通过将等式1应用于整个气弹簧而从超压ΔP中获得水柱的位移uw：
水柱位移在图10B中示出为具有对应于不同阻尼比的两个指数衰减包线。阻尼的减小和振荡的幅度与孔口的行为一致(等式12)。测试证明膜界面允许水柱在持续的时间段内以低阻尼振动。此外，测量到平均振动周期是1.28s，并且因此匹配通过忽略膜的刚度而获得的理论值。
为了清楚起见，本文并未公开各方面的所有常规特征。应理解的是，在本公开的实际实施方式的发展中，在多个实施方式中，必须做出特定决定以实现特定目的(例如，TLDM系统可以基于结构-特定参数构造并调谐)，并且这些特定目的将针对不同的实施方式而改变。应领会的是，这样的工作可能是复杂且耗时的，但是虽然如此对于已受益于本公开的本领域的普通技术人员而言将会是常规工程任务。
此外，应理解的是，本文中使用的措辞或者术语用于描述而不是限制的目的，使得本公开的术语或者措辞根据本文中呈现的教导和指导结合相关领域的普通技术人员在发明时可利用的知识来解释。此外，除非像在说明书中有明确地阐述，否则其并非旨在将说明书和权利要求书中的任何术语归为罕见的或者特定的含义。
本文中公开的各种方面包含本文通过例证方式提及的结构和功能元件的当前和未来已知的等同物。此外，虽然本文已示出并描述了各种方面和应用，但是对于已受益于本公开的本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文中公开的发明构思的情况下，可以进行比上述的那些更多的修改。例如，本领域的普通技术人员将容易理解，可以组合来自本文公开的任何示例性方面的各个特征，以产生根据本文中公开的发明构思的附加方面。
进一步应理解的是，本文中描述的元件或步骤的任何组合可单独使用或与仍然进一步的未提及的元件或步骤相结合。为此目的，本文中提及的对于连接词“包括”的任何参考应清楚地理解为也包括对指向闭集(即，“仅由提及的元件构成)及半闭集(即，“大体上由提及的元件和不会对发明的基本和新颖特征造成实质影响的任何附加元件或步骤构成)的替代方面的支持。
尽管已示出和描述了例证性的示例性方面，但是在前述公开中预期了宽范围的修改、改变和替换，并且在一些示例中，可以采用实施方式的一些特征而无需相应地使用其它特征。因此，所附权利要求广义地且以与本文中公开的实施方式的范围一致的方式来解释是适当的。

Claims (37)

1.一种调谐液体阻尼器，包括：
第一外部壳体，具有两个端部，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第二端部与所述第二外部壳体之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述第一外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述第一外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部。
2.根据权利要求1所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第二外部壳体包含附设到所述第二外部壳体的内部周缘的能变位置插塞，所述插塞定位成允许调整储存在所述第二外部壳体中的气体的体积。
3.根据权利要求1所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着所述第一外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
4.根据权利要求1所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜是柔性的并适于允许填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移。
5.根据权利要求1所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一外部壳体和所述第二外部壳体适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
6.根据权利要求1所述的调谐液体阻尼器，其中，所述管道适于允许调整所述管道的长度或宽度中的至少一者。
7.一种调谐液体阻尼器，包括：
外部壳体，具有两个端部，第一端部通向大气，并且第二端部是位于所述外部壳体内的密封的、填充气体的腔室；
分离件，附设到所述腔室的内部周缘壁，所述分离件在所述腔室内限定第一分割区和第二分割区并具有开口，所述开口允许气体在所述第一分割区和所述第二分割区之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述外部壳体流动至所述第二端部。
8.根据权利要求7所述的调谐液体阻尼器，其中，所述分离件是适于允许所述分离件沿着所述腔室的轴线重新定位并调整储存在所述第一分割区和所述第二分割区中的每一者中的气体的体积的能变位置分离件。
9.根据权利要求7所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着所述外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
10.根据权利要求7所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜是柔性的并适于允许填充液体的所述隔室沿着所述外部壳体的纵向轴线的位移。
11.根据权利要求7所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一分割区和所述第二分割区适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
12.根据权利要求7所述的调谐液体阻尼器，其中，所述分离件的所述开口适于允许调整所述开口的长度或宽度中的至少一者。
13.一种调谐液体阻尼器，包括：
第一外部壳体，具有：
第一端部，通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第一端部与所述第二外部壳体之间流动；
第二端部，通过管道连接至填充气体的第三外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第二端部与所述第三外部壳体之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述第一外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述第一外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部。
14.根据权利要求13所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第二外部壳体和所述第三外部壳体中的至少一者包括附设到相应外部壳体的内部周缘的能变位置插塞，所述插塞适于允许调整储存在相应外部壳体中的气体的体积。
15.根据权利要求13所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着所述第一外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
16.根据权利要求13所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜是柔性的并适于允许填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移。
17.根据权利要求13所述的调谐液体阻尼器，其中：
(a)所述第一外部壳体和所述第二外部壳体适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级；或者
(b)所述第一外部壳体和所述第三外部壳体适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
18.根据权利要求13所述的调谐液体阻尼器，其中，连接壳体的所述管道中的至少一个适于允许调整所述管道的长度或宽度中的至少一者。
19.一种调谐液体阻尼器，包括：
第一外部壳体，具有第一端部和第二端部，每个端部通过单独的管道连接至填充气体的第二外部壳体，其中，所述管道适于允许气体在所述第一外部壳体和所述第二外部壳体之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述第一外部壳体的内部；
密封隔室，位于所述第一外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部；
分离件，附设到所述第二外部壳体的内部周缘，所述分离件将所述第二外部壳体分割成第一腔室和第二腔室，并且所述分离件限定储存在所述第一腔室和所述第二腔室中的气体的体积。
20.根据权利要求19所述的调谐液体阻尼器，其中，所述分离件是适于允许所述分离件沿着所述第二腔室的轴线重新定位的能变位置分离件，使得所述分离件的重新定位同时调整储存在两个腔室中的气体的体积。
21.根据权利要求19所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着所述第一外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
22.根据权利要求19所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜是柔性的并适于允许填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移。
23.根据权利要求19所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一外部壳体和所述第二外部壳体适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
24.根据权利要求19所述的调谐液体阻尼器，其中，连接壳体的所述管道中的至少一个适于允许调整所述管道的长度或宽度中的至少一者。
25.一种调谐液体阻尼器，包括:
外部壳体，具有两个端部，每个端部都是密封的并在所述外部壳体内形成填充气体的腔室；
第一分离件，附设到第一端部腔室的内部周缘，所述第一分离件在所述第一端部腔室内限定第一分割区和第二分割区并具有开口，所述开口允许气体在所述第一分割区与所述第二分割区之间流动；
第二分离件，附设到第二端部腔室的内部周缘，所述第二分离件在所述第二端部腔室内限定第一分割区和第二分割区并具有开口，所述开口允许气体在所述第一分割区与所述第二分割区之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述外部壳体流动至所述第二端部。
26.根据权利要求25所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一分离件和所述第二分离件中的至少一者是适于允许相应分离件在它的相应腔室内重新定位并调整储存在相应腔室的分割区中的气体的体积的能变位置分离件。
27.根据权利要求25所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜中的至少一者是构造成允许附设点沿着所述外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
28.根据权利要求25所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一膜和所述第二膜是柔性的并适于允许填充液体的所述隔室沿着所述外部壳体的纵向轴线的位移。
29.根据权利要求25所述的调谐液体阻尼器，其中，每个腔室的所述第一分割区和所述第二分割区适于响应于填充液体的所述隔室沿着所述外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，每个气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
30.根据权利要求25所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一分离件和所述第二分离件中的至少一者的所述开口适于允许调整所述开口的长度或宽度的至少一者。
31.一种调谐液体阻尼器，包括：
第一外部壳体，具有两个端部，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第二端部与所述第二外部壳体之间流动；
膜，附设到所述第一外部壳体的内部，所述膜防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部；以及
液柱，包含在所述第一外部壳体内，由所述膜限定并穿过所述第一外部壳体朝向所述第一端部延伸。
32.根据权利要求31所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一外部壳体的所述第一端部的至少一部分沿着大体上竖直轴线延伸以形成竖直部分，并且所述液柱终止在所述竖直部分内。
33.根据权利要求31所述的调谐液体阻尼器，其中，所述膜是构造成允许附设点沿着所述第一外部壳体的纵向轴线重新定位的能变位置膜。
34.根据权利要求31所述的调谐液体阻尼器，其中，所述膜是柔性的并适于允许所述液柱沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移。
35.根据权利要求31所述的调谐液体阻尼器，其中，所述第一外部壳体和所述第二外部壳体适于响应于所述液柱沿着所述第一外部壳体的纵向轴线的位移起气弹簧的作用，所述气弹簧适于控制由所述阻尼器提供的减振的频率和等级。
36.一种减振系统，包括：
调谐液体阻尼器，附设到结构，所述调谐液体阻尼器包括：
第一外部壳体，具有两个端部，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第二端部与所述第二外部壳体之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述第一外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述第一外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部；
选择性地，其中，所述第二外部壳体包括附设到所述第二外部壳体的内部周缘的能变位置插塞，所述插塞定位成允许调整储存在所述第二外部壳体中的气体的体积；
其中，所述调谐液体阻尼器产生减小结构的振动的力。
37.一种减小结构的振动的方法，包括：
将至少一个调谐液体阻尼器附设到结构，其中，所述至少一个调谐液体阻尼器包括：
第一外部壳体，具有两个端部，第一端部通向大气，并且第二端部通过管道连接至填充气体的第二外部壳体，所述管道适于允许气体在所述第二端部与所述第二外部壳体之间流动；
第一膜和第二膜，各自附设到所述第一外部壳体的内部；以及
密封隔室，位于所述第一外部壳体内，由所述第一膜和所述第二膜限定并至少部分地填充液体，所述密封隔室防止气体从所述第一端部通过所述第一外部壳体流动至所述第二端部；
选择性地，其中，所述第二外部壳体包括附设到所述第二外部壳体的内部周缘的能变位置插塞，所述插塞定位成允许调整储存在所述第二外部壳体中的气体的体积；并且
基于由所述至少一个调谐液体阻尼器产生的力减小所述结构的振动。
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