CN110735874A - 一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，布置在外界振源向电子工业厂房的传播路径上，而频率禁带覆盖电子工业厂房的自振频率，切断外界振动的传播，其由多个相同的内置负刚度单元的周期性隔振单元在隔振方向上依次连接构成，包括第一外部质点、多个内部质点、多个第二外部质点、多个直线光轴、多个外侧正刚度弹性元件、多个中间正刚度弹性元件。第二外部质点设置有凸出的腔体，腔体内部的上、下壁上都固定有永磁铁，直线光轴的另外一端固定连接有随动磁铁，直线光轴、两个永磁铁和随动磁铁在腔体内形成负刚度元件。本发明的频率禁带在保持频率上限较大的前提下，下限仍然低至0Hz，从而实现一种超低频宽谱的隔离效果。

Description

一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构

技术领域

本发明属于土木工程结构隔振领域，具体涉及一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构。

背景技术

作为重要的基础设施，电子工业厂房不仅造价高昂，而且有严苛的隔振需求。而大地脉动、地面交通和轨道交通等外部因素不可避免地引起危害性振动，特别是其中0Hz附近的超低频成分，严重影响电子工业厂房的正常运行，甚至影响加工精度，降低产品良率，进而造成重大的工期延误和经济损失。因此，研究超低频微振动的隔离技术与方法，是电子工业基础设施面临的行业共性问题，对保障电子工业厂房正常运行有重要的科学意义和实用价值。

目前，基于工作机理，电子工业厂房的微振动隔离方法主要有被动隔振和主动隔振两大类。其中，被动隔振技术，通过合理设计地基基础和隔振垫层以减少振动对结构本身的影响。其中隔振垫层一般由弹性、阻尼等力学元件构成，如工程中常见的大型空气隔振垫层，利用空气弹簧实现对微振动的隔离。被动隔振方法稳定可靠，但由于自身刚度的存在，使得这些隔振装置的自振频率一般在1-2Hz之间，因而对高频振动的隔离效果较优，而对低于其自振频率的振动成分无法实现有效隔离。而主动隔离方法，通过引入主动控制的思想，利用主动元器件，诸如超磁致伸缩作动器，线圈洛伦兹力制动器等，实现了主动的控制力，进一步降低原有被动隔振装置的自由频率，实现隔离范围的一定扩大。但是，主动方法需要实时的传感器反馈和外部能源的不间断供应，增加了系统的复杂程度，降低了隔振层整体的可靠性。最主要的是，系统本身稳定的需求使得隔离频率虽然有一定降低，但仍无法真正达到接近0Hz的超低频成分。所以，主动隔离方法对外界振动的超低频成分的隔离效果并不理想，其实际应用仍然受到一定的限制。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，适用于电子工业厂房等基础设施，实现对低至0Hz附近区域超低频微振动的完全吸收与隔离。

本发明目的是这样实现的：一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，由多个相同的内置负刚度单元的周期性隔振单元在隔振方向上依次连接构成，所述的内置负刚度单元的周期性隔振单元包括第一外部质点、多个内部质点、多个第二外部质点、多个直线光轴、多个外侧正刚度弹性元件、多个中间正刚度弹性元件，第一和第二外部质点之间分别对称连接有两个外侧正刚度弹性元件，所述的内部质点位于两个外侧正刚度弹性元件、第一和第二外部质点形成的空间内，所述的内部质点的上端通过中间正刚度弹性元件与第一外部质点下端连接，所述的内部质点的下端与直线光轴的一端固定连接，所述的第二外部质点有一个向内凸出的腔体，所述的直线光轴穿过所述的腔体，并能够在所述的腔体内自由滑动，所述的腔体内部的上壁和下壁上都固定有永磁铁，且这两个永磁铁磁极方向相同，所述的直线光轴的另外一端固定连接有随动磁铁，所述的直线光轴、两个永磁铁和随动磁铁在腔体内形成负刚度元件，该随动磁铁与两个永磁铁磁极方向相同，且在同一轴线上，下一个第二外部质点和下一个内部质点与上一个第二外部质点按上述结构在隔振方向上依次连接，当随动磁铁偏离平衡位置时，两个永磁铁对其的作用力使其有继续偏离平衡位置的趋势，即实现前一内部质点与下一个相邻的第二外部质点之间的被动负刚度耦联。

本发明还具有如下技术特征：使用时，根据被保护的电子工业厂房的自振频率，按照如下公式(1)-(3)，设计周期性隔振结构参数，使其频率禁带下限为零，上限大于电子工业厂房的自振频率，然后将其置于振源向电子工业厂房的传播路径上，隔离超低频振动对电子工业厂房干扰；首先，建立运动方程，得到等效刚度，推导周期性隔振结构出频率禁带的上限和下限分别为：

式中ω_u是频率禁带的上限，ω_l是频率禁带的下限，ω₂是内部质点在只有中间正刚度弹性元件时的自振频率，γ₁是负刚度元件与两侧正刚度弹性元件的比值，γ₂是负刚度元件与中间正刚度弹性元件的比值；

显然，根据频率禁带下限式(2)，当满足如下条件时：

γ₁+γ₂＝-1 (3)

公式(2)中频率禁带的下限达到零值。

当微振动发生后，微振动进入周期性隔振结构，被内置有负刚度元件的内部与外部质点振动吸收，从而实现宏观上对微振动的隔断，达到保护结构免受微振动干扰的目的。

本发明所内置的负刚度元件，使得其频率禁带达到低至0Hz的范围，对超低频微振动具有优异的隔断吸收效果；通过调整中间正刚度弹性元件与负刚度元件的比值，调节其可达的频率禁带上限，实现在更宽频谱范围内的吸收隔振；同时，各元件均通过被动方式实现，稳定可靠，在避免了主动隔离方法复杂性的同时，实现更低频范围内对微振动的隔离与吸收。

附图说明

图1为内置负刚度元件的基本单元构造示意图；

图2为多个基本单元构成周期性隔振结构的示意图；

图3为本发明的频率禁带示意图；

图4为本发明应用于电子工业厂房安装示意图；

图5为本发明对微振动的吸收隔离效果对比图；

其中1、第一外部质点，2、第二外部质点，3、内部质点，4、两侧正刚度弹性元件，5、直线光轴，6、永磁铁，7、随动磁铁，8、腔体，9、中间正刚度弹性元件。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不只限于此。

实施例1

结合图1-2所示，一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，由多个相同的内置负刚度单元的周期性隔振单元在隔振方向上依次连接构成，其特征在于，所述的内置负刚度单元的周期性隔振单元包括第一外部质点、多个内部质点、多个第二外部质点、多个直线光轴、多个外侧正刚度弹性元件、多个中间正刚度弹性元件，第一和第二外部质点之间分别对称连接有两个外侧正刚度弹性元件，所述的内部质点位于两个外侧正刚度弹性元件、第一和第二外部质点形成的空间内，所述的内部质点的上端通过中间正刚度弹性元件与第一外部质点下端连接，所述的内部质点的下端与直线光轴的一端固定连接，所述的第二外部质点有一个向内凸出的腔体，所述的直线光轴穿过所述的腔体，并能够在所述的腔体内自由滑动，所述的腔体内部的上壁和下壁上都固定有永磁铁，且这两个永磁铁磁极方向相同，所述的直线光轴的另外一端固定连接有随动磁铁，所述的直线光轴、两个永磁铁和随动磁铁在腔体内形成负刚度元件，该随动磁铁与两个永磁铁磁极方向相同，且在同一轴线上，下一个第二外部质点和下一个内部质点与上一个第二外部质点按上述结构在隔振方向上依次连接，当随动磁铁偏离平衡位置时，两个永磁铁对其的作用力使其有继续偏离平衡位置的趋势，即实现前一内部质点与下一个相邻的第二外部质点之间的被动负刚度耦联。

实施例2：

使用时，根据被保护的电子工业厂房的自振频率，按照如下公式(1)-(3)，设计周期性隔振结构参数，使其频率禁带下限为零，上限大于电子工业厂房的自振频率，然后将其置于振源向电子工业厂房的传播路径上，隔离超低频振动对电子工业厂房干扰；首先，建立运动方程，得到等效刚度，推导周期性隔振结构出频率禁带的上限和下限分别为：

式中ω_u是频率禁带的上限，ω_l是频率禁带的下限，ω₂是内部质点在只有中间正刚度弹性元件时的自振频率，γ₁是负刚度元件与两侧正刚度弹性元件的比值，γ₂是负刚度元件与中间正刚度弹性元件的比值；

显然，根据频率禁带下限式(2)，当满足如下条件时：

γ₁+γ₂＝-1 (3)

公式(2)中频率禁带的下限达到零值。

结合图3，是本发明周期性隔振结构的频率禁带(实线)与传统的周期性隔振结构(虚线)的频率禁带的对比，其中横轴是衰减指标，数值小于0时表示有吸收隔振效果，且越小越好，若大于零，则表示放大了振源响应，没有吸收隔离效果；纵轴是频率比，即外界正弦振源的频率与内部质点频率ω₂的比值。基本单元个数为10，比值γ₁＝-0.8，γ₂＝-0.2，保持其他参数不变。如图中所示，传统的周期性结构在低频区域衰减指标大于0，表明此时没有吸收隔离作用，而本发明的内置负刚度元件的周期性结构在低至0Hz的超低频区域，一直都有着良好的吸收隔离效果，而且，其频谱宽度也明显大于传统的周期性隔振结构，验证了本发明所提出的内置负刚度元件耦联内部质点与下一个外部质点对周期性隔振结构频率禁带的提升效果。

波动传播进入隔振结构中，其基本单元内的外部质点、内部质点通过正刚度元件和负刚度元件发生相互作用，实现对波动能量的吸收与隔离，从而切断波动向电子工业厂房的传播，减小外界振动对其影响，达到隔离超低频振动对电子工业厂房干扰的目的。

实施例3，

结合图4-5，是本发明应用于电子工业厂房微振动吸收隔离的示意和效果对比图。在图4中，本发明的周期性隔振结构置于微振动振源向电子工业厂房传播的路径上，在参数选取上，满足如下关系：

式中ω_s的是电子工业厂房的自振频率，k_s是电子工业厂房的刚度，m_s是电子工业厂房的质量。

通过选择周期性隔振结构的设计参数，使得其频率禁带覆盖电子工业厂房的基本自振频率，这样，周围环境振动中容易激起结构共振的频率成分得到充分的吸收与隔离，从而达到减少振动干扰，保护结构的目的。图5给出了本发明对微振动的吸收隔离效果，图中点划线是原激励，而实线是被吸收隔离后的激励，从响应时程和功率谱的对比可以看出，本发明的周期性隔振结构可以显著吸收微振动，减小其幅值和低频成分。

本发明针对传统隔振方法有效频谱较窄，系统复杂、无法实现超低频区域隔振等缺点，提供了一种内置负刚度单元的超低频宽谱周期性隔振结构，实现对超低频区域振动的吸收与隔离，即本发明所提出的周期性隔振结构：一方面简化了隔振系统的设计，方便应用推广；另一方面，频谱禁带得到提升，尤其是实现了对低至0Hz附近的超低频区域的吸收与隔离，能更有效地吸收隔离周围环境微振动，减少对电子工业厂房的干扰。

Claims (2)

1.一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，由多个相同的内置负刚度单元的周期性隔振单元在隔振方向上依次连接构成，其特征在于，所述的内置负刚度单元的周期性隔振单元包括第一外部质点、多个内部质点、多个第二外部质点、多个直线光轴、多个外侧正刚度弹性元件、多个中间正刚度弹性元件，第一和第二外部质点之间分别对称连接有两个外侧正刚度弹性元件，所述的内部质点位于两个外侧正刚度弹性元件、第一和第二外部质点形成的空间内，所述的内部质点的上端通过中间正刚度弹性元件与第一外部质点下端连接，所述的内部质点的下端与直线光轴的一端固定连接，所述的第二外部质点有一个向内凸出的腔体，所述的直线光轴穿过所述的腔体，并能够在所述的腔体内自由滑动，所述的腔体内部的上壁和下壁上都固定有永磁铁，且这两个永磁铁磁极方向相同，所述的直线光轴的另外一端固定连接有随动磁铁，所述的直线光轴、两个永磁铁和随动磁铁在腔体内形成负刚度元件，该随动磁铁与两个永磁铁磁极方向相同，且在同一轴线上，下一个第二外部质点和下一个内部质点与上一个第二外部质点按上述结构在隔振方向上依次连接，当随动磁铁偏离平衡位置时，两个永磁铁对其的作用力使其有继续偏离平衡位置的趋势，即实现前一内部质点与下一个相邻的第二外部质点之间的被动负刚度耦联。

2.根据权利要求1所述的一种内置负刚度元件的超低频宽谱周期性隔振结构，其特征在于：使用时，根据被保护的电子工业厂房的自振频率，按照如下公式(1)-(3)，设计周期性隔振结构参数，使其频率禁带下限为零，上限大于电子工业厂房的自振频率，然后将其置于振源向电子工业厂房的传播路径上，隔离超低频振动对电子工业厂房干扰；首先，建立运动方程，得到等效刚度，推导周期性隔振结构频率禁带的上限和下限分别为：

式中ω_u是频率禁带的上限，ω₁是频率禁带的下限，ω₂是内部质点在只有中间正刚度弹性元件时的自振频率，γ₁是负刚度元件与两侧正刚度弹性元件的比值，γ₂是负刚度元件与中间正刚度弹性元件的比值；

显然，根据频率禁带下限式(2)，当满足如下条件时：

γ₁+γ₂＝-1 (3)

公式(2)中频率禁带的下限达到零值。

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