CN110685485B - 一种非线性电磁颗粒阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非线性电磁颗粒阻尼器，该阻尼器整体为多层结构的圆柱体或球体的阻尼器腔体结构(1)，由外至内依次包括外壳(10)、大永磁体(41)、小永磁体(42)及内腔体(7)，所述内腔体(7)设有颗粒群(5)；所述大永磁体(41)与小永磁体(42)之间设有多层电磁颗粒阻尼机构。与现有技术相比，本发明结合颗粒阻尼器及电磁耗能的优点，实现混合形式耗能，做到优势互补，形成一种安装方便、耗能效果好、减震频率宽且能够多次使用等优点的新型阻尼器，具有工程实际意义。

Description

一种非线性电磁颗粒阻尼器
技术领域
本发明涉及土木结构振动控制领域，尤其是涉及一种非线性电磁颗粒阻尼器。
背景技术
近年来，调谐质量阻尼器(TMD)以其施工简单、操作方便、减振效果显著等特点收到广泛欢迎。同时，调谐质量阻尼器只在特定的频带范围内具有一定的减振效果，且附加质量块与主体结构通过悬吊或滑动支座的方式相连，只能在水平方向上提供一个自振频率，而风/地震等的振动方向具有随机性，使其实际应用有一定的限制。而颗粒阻尼器(Particle Damper)同样作为一种附加质量被动阻尼器，其原理是利用在振动体中有限封闭空间内填充的微小颗粒间摩擦与冲击作用消耗系统振动能量，具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感，可用于恶劣环境等优点，且颗粒阻尼器的阻尼作用并不受方向限制，这些优点为颗粒阻尼器在工程实践中的广泛应用提供了可能。
颗粒阻尼器也有自身的不足，比如传统的颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，限制了颗粒的运动能力，颗粒与腔体的碰撞多为弹性碰撞，碰撞耗能能力有限等。非线性能量阱是由传统的动力吸振器中引入非线性特征而得到的新型减振装置，非线性能量阱没有固定的频率，具有非线性刚度与一定的阻尼特性，在振动过程中非线性能量阱能使振动能量以一种不可逆的方式传递给振子，不会返回原系统。形状记忆合金(SMA)具有伪弹性，当形状记忆合金在高温相奥氏体状态下受到外力发生较大变形，去除外力后，大变形完全恢复。但是在变形过程中，应力应变曲线并不是线性的，会产生耗散能，因此形状记忆合金可作为制造变刚度弹簧的材料。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合颗粒阻尼器及电磁耗能的优点，实现混合形式耗能，做到优势互补，形成一种安装方便、耗能效果好、减震频率宽且能够多次使用等优点的新型阻尼器，具有工程实际意义的非线性电磁颗粒阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种非线性电磁颗粒阻尼器，该阻尼器整体为多层结构的圆柱体或球体的阻尼器腔体结构，由外至内依次包括外壳、大永磁体、小永磁体及内腔体，所述内腔体设有颗粒群；
所述大永磁体与小永磁体之间设有多层电磁颗粒阻尼机构；
所述电磁颗粒阻尼机构由相间分布的颗粒阻尼单元与缓冲元件组成，所述颗粒阻尼单元包括颗粒轨道，所述颗粒轨道内设有颗粒群，所述缓冲元件包括熔铅腔体以及连接于所述熔铅腔体两端的变刚度弹簧组。
进一步地，所述的变刚度弹簧组由至少两个弹簧并联而成，弹簧与熔铅腔体之间、弹簧与颗粒轨道之间用可移动的挡板进行隔离，作为弹簧变形时侧面的支撑，所述的熔铅腔体两侧加固避免熔铅漏出。
进一步地，所述弹簧的材料为镍-钛合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金或其他形状记忆合金。
进一步地，所述的颗粒轨道包括中间的通道及两侧实心防护壁，该防护壁材料的磁导率与空气磁导率相近，采用普通金属合金或记忆金属合金。
进一步地，所述的大永磁体与多层电磁颗粒阻尼机构之间，多层电磁颗粒阻尼机构与小永磁体之间以及小永磁体与内腔体之间均设有缓冲材料，避免磁体受冲击磁性受到影响。
进一步地，所述的缓冲材料包括多孔泡沫塑料、多孔橡胶或针织棉中的一种或多种，多孔材料利于增大颗粒运动时的摩擦。
进一步地，所述的颗粒群的材料为铜、铝或其他导电性良好的合金，颗粒群中颗粒的截面尺寸为2-50mm，颗粒群在水平面投影面积为颗粒轨道水平面积的20-100％。
进一步地，所述的多层电磁颗粒阻尼机构层间的颗粒阻尼单元与缓冲元件沿径向相间分布。
本发明通过构造颗粒轨道和内腔体，使颗粒与腔体之间的碰撞从集中到腔体外部到分散到腔体内部的各个轨道中，将原本堆积在一处的颗粒分散开来，将碰撞规划为定向碰撞，并在碰撞处设计变刚度弹簧和熔铅腔体组成的缓冲元件，利用其非线性的压缩和熔铅抗剪切和挤压的能力耗能，实现能量的单向传递，使装置在更宽的频率范围内产生耗能效果，颗粒充分运动、碰撞，且在设定好的轨道及内腔体碰撞处覆有缓冲材料，外部通过内外大小磁体建立磁场，使金属颗粒产生感应电流(涡流)，提高装置耗能效率，增加了能量转移的形式。
该装置在传统调谐质量阻尼器的基础上加以改进，在传统调谐质量阻尼器和电磁阻尼技术的基础上加以改进，设置多轨道及内腔体，在其中布置颗粒群，并通过内外磁体产生的磁场使颗粒在运动时产生感应电流消耗能量，并设置缓冲元件，通过变刚度弹簧与熔铅腔体共同作用，使元件的变形在弹性和塑形条件下内均能有效耗能。在风或地震作用下，该装置能够提供更宽的减震频率，同时通过结构自身振动、颗粒的摩擦及产生感应电流作用来转移并耗散结构的动能。
通过合理设置弹簧的刚度及熔铅腔体大小以调谐结构的频率。在风或地震作用下，通过结构自身振动、缓冲元件弹塑性变形、颗粒的摩擦及产生感应电流作用来转移并耗散结构的动能，缓冲材料也增加了耗能的能力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明通过将颗粒分为不同的轨道和内腔体，避免颗粒集中运动影响耗能效率，且颗粒能够在特定轨道运动，因此更容易确定缓冲材料布置的重点位置；
(2)本发明通过传统颗粒阻尼器结合电磁阻尼耗能，利于颗粒反复运动时的减速，减小颗粒碰撞时的峰值位移和峰值加速度；
(3)本发明通过构造缓冲元件，使颗粒与腔体的碰撞由简单的弹性碰撞变为弹性和塑形碰撞，通过变刚度弹簧和具有较大泊松比的熔铅共同作用，使腔体与颗粒碰撞处能发生较大位移且能容易恢复；
(4)本发明阻尼器腔体结构构造形式简单，且结构对称，可根据需要增设不同角度的颗粒轨道和缓冲元件，适用不同方向振动作用，以达到较好的减振效果。
附图说明
图1为实施例1中非线性电磁颗粒阻尼器水平剖面图；
图2为实施例1中非线性电磁颗粒阻尼器1-1立面图；
图中标号：1-阻尼器腔体结构，2-颗粒轨道，3-缓冲元件，41-大永磁体，42-小永磁体，5-颗粒群，6-缓冲材料，7-内腔体，8-变刚度弹簧组，9-熔铅腔体，10-外壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种非线性电磁颗粒阻尼器，参考图1、2，该阻尼器整体为多层结构的球体的阻尼器腔体结构1，由外至内依次包括外壳10、大永磁体41、小永磁体42及内腔体7，内腔体7设有颗粒群5；大永磁体41与小永磁体42之间设有两层电磁颗粒阻尼机构；电磁颗粒阻尼机构由相间分布的颗粒阻尼单元与缓冲元件3组成，颗粒阻尼单元包括颗粒轨道2，颗粒轨道2内设有颗粒群5，缓冲元件3包括熔铅腔体9以及连接于熔铅腔体9两端的变刚度弹簧组8。两层电磁颗粒阻尼机构层间的颗粒阻尼单元与缓冲元件3也相间分布。
缓冲元件3的两端包括对称布置的两组变刚度弹簧组8，缓冲元件3的中间设有熔铅腔体9，每组变刚度弹簧组8由至少两个弹簧并联而成，弹簧与熔铅腔体9之间、弹簧与颗粒轨道2之间用可移动的挡板进行隔离，作为弹簧变形时侧面的支撑，熔铅腔体9两侧加固避免熔铅漏出。变刚度弹簧组8的材料为铜锌系合金。通过合理设置弹簧的刚度及熔铅腔体9大小以调谐结构的频率。
颗粒轨道2包括中间的通道及两侧实心防护壁，该防护壁为与底面垂直的圆弧形，其材料为与空气磁导率相近的形状记忆金属合金。
颗粒轨道2和内腔体7中含有颗粒群5。颗粒群5的材料为铝，颗粒群5中颗粒的截面尺寸为2-50mm，颗粒群5在水平面投影面积为颗粒轨道2水平面积的100％。
大永磁体41与电磁颗粒阻尼机构之间，电磁颗粒阻尼机构与小永磁体42之间以及小永磁体42与内腔体7之间均设有缓冲材料6，避免磁体受冲击磁性受到影响。缓冲材料6为多孔橡胶，多孔材料利于增大颗粒运动时的摩擦。
通过构造颗粒轨道2和内腔体7，使颗粒与腔体之间的碰撞从集中到腔体外部到分散到腔体内部的各个轨道中，将原本堆积在一处的颗粒分散开来，将碰撞规划为定向碰撞，并在碰撞处设计变刚度弹簧组8和熔铅腔体9组成的缓冲元件3，利用其非线性的压缩和熔铅抗剪切和挤压的能力耗能，实现能量的单向传递，使装置在更宽的频率范围内产生耗能效果，颗粒充分运动、碰撞，且在设定好的轨道及内腔体碰撞处覆有缓冲材料，外部通过内外大小磁体建立磁场，使金属颗粒产生感应电流，即涡流，提高装置耗能效率，增加了能量转移的形式。
该装置在传统调谐质量阻尼器的基础上加以改进，在传统调谐质量阻尼器和电磁阻尼技术的基础上加以改进，设置多轨道及内腔体7，在其中布置颗粒群，并通过内外磁体产生的磁场使颗粒在运动时产生感应电流消耗能量，并设置缓冲元件3，通过变刚度弹簧组8与熔铅腔体9共同作用，使元件的变形在弹性和塑形条件下内均能有效耗能。在风或地震作用下，该装置能够提供更宽的减震频率，同时通过结构自身振动、颗粒的摩擦及产生感应电流作用来转移并耗散结构的动能。在风或地震作用下，通过结构自身振动、缓冲元件弹塑性变形、颗粒的摩擦及产生感应电流作用来转移并耗散结构的动能，缓冲材料6也增加了耗能的能力。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，该阻尼器整体为多层结构的圆柱体或球体的阻尼器腔体结构(1)，由外至内依次包括外壳(10)、大永磁体(41)、小永磁体(42)及内腔体(7)，所述内腔体(7)设有颗粒群(5)；
所述大永磁体(41)与小永磁体(42)之间设有多层电磁颗粒阻尼机构；
所述电磁颗粒阻尼机构由相间分布的颗粒阻尼单元与缓冲元件(3)组成，所述颗粒阻尼单元包括颗粒轨道(2)，所述颗粒轨道(2)内设有颗粒群(5)，所述缓冲元件(3)包括熔铅腔体(9)以及连接于所述熔铅腔体(9)两端的变刚度弹簧组(8)。
2.根据权利要求1所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的变刚度弹簧组(8)由至少两个弹簧并联而成，弹簧与熔铅腔体(9)之间、弹簧与颗粒轨道(2)之间用可移动的挡板进行隔离，所述的熔铅腔体(9)两侧经过加固处理。
3.根据权利要求2所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述弹簧的材料为形状记忆合金，采用镍钛合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金或铁系合金。
4.根据权利要求1所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的颗粒轨道(2)包括中间的通道及两侧实心防护壁，该防护壁材料的磁导率与空气磁导率相近。
5.根据权利要求1所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的大永磁体(41)与电磁颗粒阻尼机构之间，电磁颗粒阻尼机构与小永磁体(42)之间以及小永磁体(42)与内腔体(7)之间均设有缓冲材料(6)。
6.根据权利要求5所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的缓冲材料(6)包括多孔泡沫塑料、多孔橡胶或针织棉中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的颗粒群(5)的材料为铜、铝或其他导电性良好的合金，颗粒群(5)中颗粒的截面尺寸为2-50mm，颗粒群(5)在水平面投影面积为颗粒轨道(2)水平面积的20-100％。
8.根据权利要求1所述的一种非线性电磁颗粒阻尼器，其特征在于，所述的多层电磁颗粒阻尼机构层间的颗粒阻尼单元与缓冲元件(3)沿径向相间分布。
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