CN110979557A - 基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构及线性板架 - Google Patents

基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构及线性板架 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双稳态‑线性耦合的自由振动抑制结构及线性板架，其中，抑制结构包括线性梁、竖向线性弹簧、桁架以及支撑桁架的桁架支撑结构；所述线性梁与桁架支撑结构平行设置，沿桁架支撑结构长度方向设有滑槽；所述桁架包括刚性撑杆和横向线性弹簧，所述刚性撑杆为两根，两根刚性撑杆的一端铰接，另一端通过横向线性弹簧与桁架支撑结构连接；所述桁架安装在滑槽内，其刚性撑杆的另一端可沿滑槽滑动，在初始状态下，刚性撑杆与滑槽呈夹角设置；所述桁架的顶部通过竖向线性弹簧与线性梁耦合；本发明抑制结构完全由刚性构件和弹簧构成，无粘性阻尼材料，实现了单一构件静态高刚度和动态高耗散，在保证结构承载条件下提高自由振动抑制效能。

Description

基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构及线性板架
技术领域
本发明涉及海洋与船舶技术领域，特别涉及一种基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构及线性板架。
背景技术
海洋与船舶工程结构长期承受各类瞬态动载(例如砰击、导弹发射等)，在低阻尼金属结构产生持久的自由振动，使得各类结构中损伤逐渐累积，最终导致结构破坏及设备失效，有效抑制自由振动已成为保证海洋与船舶工程装备可靠性的重大需求。
传统的设计方法总是先进行结构承载设计，再以粘弹性材料提高结构耗散性能，但是结构线性振动特性产生以下问题：一方面，阻尼材料刚度很低，依照线性振动理论阻尼材料必须在结构中达到一定比例才能有效减振，这会直接降低结构整体刚度，另一方面，阻尼耗能与位移振幅的平方成正比，线性结构中，如增大变形则需减小刚度，这将直接降低结构承载能力，因此高刚度设计下结构耗散性能十分有限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其能够同时兼顾高刚度和高耗散。
进一步，本发明还提供一种具有上述抑制结构的线性板架。
本发明所采用的技术方案是：
基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，包括线性梁、竖向线性弹簧、桁架以及支撑桁架的桁架支撑结构；所述线性梁与桁架支撑结构平行设置，沿桁架支撑结构长度方向设有滑槽；所述桁架包括刚性撑杆和横向线性弹簧，所述刚性撑杆为两根，两根刚性撑杆的一端铰接，另一端通过横向线性弹簧与桁架支撑结构连接；所述桁架安装在滑槽内，其刚性撑杆的另一端可沿滑槽滑动，在初始状态下，刚性撑杆与滑槽呈夹角设置；所述桁架的顶部通过竖向线性弹簧与线性梁耦合。
进一步，所述桁架还包括滑块，该滑块铰接在刚性撑杆的另一端，刚性撑杆通过滑块与横向线性弹簧连接；沿所述滑槽设有导轨，所述滑块配合在导轨上、且可沿导轨滑动。
进一步，所述刚性撑杆采用铝、铁或塑料制成。
进一步，所述支撑结构采用铝、铁或塑料制成。
进一步，所述支撑结构为三角形结构。
进一步，本发明还提供一种线性板架，包括线性板架本体及抑制结构，所述抑制结构为上述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构。
进一步，所述抑制结构并排等间隔安装在线性板架本体的下侧。
采用如上技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构通过线性弹簧的并联，结构完全由刚性构件和弹簧构成，无粘性阻尼材料，将von-Mises桁架通过竖向线性弹簧与海洋工程中传统线性梁、线性板架等线性结构耦合，在初始速度、初始加速度、初始位移或冲击载荷等条件下整体结构自由振动过程中引发von-Mises桁架振动上变频，使得双稳态-线性耦合结构瞬态振动的衰减系数(相对于具有相同初始刚度的传统梁系结构)以级数增长，实现了单一构件静态高刚度和动态高耗散，在保证结构承载条件下提高自由振动抑制效能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例中基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构示意图；
图2a为本发明实施例中基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构在稳态一状态示意图；
图2b为本发明实施例中基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构在稳态二状态示意图；
图2c为本发明实施例中基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构在非稳定平衡状态示意图；
图3a为传统梁系结构有限元模型示意图；
图3b为图3a侧视图；
图4为本发明实施例冲击载荷作用时程分析示意图；
图5a和图5b为瞬态冲击载荷作用下自由振动响应衰减曲线图；
其中，图5a为瞬态冲击载荷下本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构中线性梁中点与传统梁系结构中线性梁’中点的位移图；
图5b为瞬态冲击载荷下本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构中von-Mises桁架顶点的位移图；
图6为线性板架结构中载荷作用区域示意图；
图7为本发明实施例中基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构集成于线性板架结构示意图；
图8a和图8b为板架结构在瞬态冲击载荷作用下自由振动响应衰减曲线图；
其中，图8a为瞬态冲击载荷下集成有本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构的线性板架中线性梁中点与未集成本发明结构的传统线性板架中线性梁’中点的位移图；
图8b为瞬态冲击载荷下集成有本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构的线性板架中von-Mises桁架顶点的位移图。
其中，1为线性梁，2为桁架支撑结构，21为导轨，3为桁架，31为刚性撑杆，32为横向线性弹簧，33为滑块，4为竖向线性弹簧，5为线性板架本体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本发明所述的自由振动包括舰船、浮体及其它工程结构的瞬态自由振动。双稳态结构为横向线性弹簧32和刚性撑杆31组成的von-Mises桁架，线性结构为线性梁1、线性板架或其它线性结构。
请参见图1，基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构(以下简称抑制结构)，包括线性梁1、竖向线性弹簧4、桁架3以及支撑桁架3的桁架支撑结构2。线性梁1与桁架支撑结构2平行设置，沿桁架支撑结构2长度方向设有滑槽。桁架3包括刚性撑杆31和横向线性弹簧32，刚性撑杆31为两根，两根刚性撑杆31的一端铰接、且可以铰接部为轴心平面内相对自由转动，另一端通过横向线性弹簧32与桁架支撑结构2连接。桁架3安装在滑槽内，其刚性撑杆31的另一端可沿滑槽滑动，在初始状态下，刚性撑杆31与滑槽呈夹角设置。桁架3的顶部通过竖向线性弹簧4与线性梁1耦合。
本发明基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构通过线性弹簧的并联，结构完全由刚性构件和弹簧构成，无粘性阻尼材料，将von-Mises桁架通过竖向线性弹簧4与海洋工程中传统线性梁1、线性板架等线性结构耦合，在初始速度、初始加速度、初始位移或冲击载荷等条件下整体结构自由振动过程中引发von-Mises桁架振动上变频，使得双稳态-线性耦合结构瞬态振动的衰减系数(相对于具有相同初始刚度的传统梁系结构)以级数增长，实现了单一构件静态高刚度和动态高耗散，在保证结构承载条件下提高自由振动抑制效能。
刚性撑杆31为高刚度高强度撑杆，刚性撑杆31可根据整体结构承载条件选择不同刚度的材料。在本实施例中，刚性撑杆31为铝材料制成；若整体结构承载比较大，刚性撑杆31可采用铁等刚度较大的材料制成；若整体结构承载比较小，刚性撑杆31也可采用塑料等刚度较小的材料制成。
桁架支撑结构2应具有足够大的弯曲刚度，以保证其总处于线弹性小变形。桁架支撑结构2的材料可根据整体结构承载条件选择不同刚度的材料。在本实施例中，桁架支撑结构2为铝材料制成；若整体结构承载比较大，桁架支撑结构2可采用铁等刚度较大的材料制成；若整体结构承载比较小，桁架支撑结构2也可采用塑料等刚度较小的材料制成。
在一种示例性实施例中，桁架支撑结构2为三角形结构，具有更好的支撑稳定性。当然，桁架支撑结构2也可以为其它结构形状，只要保证桁架支撑结构2具有足够大的弯曲刚度即可。
在初始状态下，刚性撑杆31与滑槽呈夹角设置，即刚性撑杆31与滑槽具有一个初始夹角θ0，使两根刚性撑杆31以及滑槽在初始状态呈三角形结构。具体的，两根刚性撑杆31长度相等，两根刚性撑杆31以及滑槽在初始状态呈等腰三角形结构。
在进一步的实施例中，桁架3还包括滑块33，该滑块33铰接在刚性撑杆31的另一端，刚性撑杆31通过滑块33与第二线性弹簧连接；沿滑槽设有导轨21，滑块33配合在导轨21上、且可沿导轨21滑动。通过在刚性撑杆31的另一端铰接滑块33，并将该滑块33配合在设置在滑槽上的导轨21上，桁架3在振动过程中，相互配合的滑块33和导轨21对刚性撑杆31的移动起导向作用。
在一种具体实施例中，桁架支撑结构2的两端与线性梁1固定连接，以支撑线性梁1。桁架3位于线性梁1与桁架支撑结构2之间，桁架3的顶部通过竖向线性弹簧4与线性梁1耦合，竖向线性弹簧4分别与线性梁1和桁架3垂直；桁架3两端与桁架支撑结构2对应端之间的距离相等。
参见图2a、图2b和图2c，本发明的原理如下：当冲击载荷作用于本抑制结构后，抑制结构整体自由振动(这里假设外部瞬时冲击载荷作用于线性梁1结构上侧)，考虑结构在一个自振周期内，前四分之一周期，线性梁1沿加载方向弯曲(这里向下弯曲)，竖向线性弹簧随之压缩，von-Mises桁架承受竖向线性弹簧向下的反力，该反力随线性梁1弯曲与竖向线性弹簧压缩而增大，超过von-Mises桁架稳定极限后，von-Mises桁架出现突弹跳变，由稳态一迅速转换为稳态二，von-Mises桁架不仅在竖向弹簧4作用下以抑制结构整体自由振动频率运动，还在稳态二内以接近von-Mises桁架固有频率的频率自由振动，由于该自振频率数倍于抑制结构整体自振频率，使抑制结构整体耗散以级数增大，抑制结构整体自由振动幅值急速下降；当线性梁1弯曲振动达到最大值后，反向振动(四分之一周期至二分之一周期)，竖向线性弹簧随之拉伸，反力随线性梁1弯曲而增大，超过von-Mises桁架稳定极限后，von-Mises桁架再次突弹跳变，由稳态二迅速转换为稳态一，并在稳态一内再次出现高频自由振动，上变频再次出现使耗散效率以级数增大；以上过程随线性结构振动反复出现，抑制结构振幅迅速降低，竖向线性弹簧反力无法超过von-Mises桁架稳定极限后，von-Mises桁架不再出现突弹跳变，抑制结构整体进入低幅线性振动状态，上变频不再出现。本发明的高刚度高耗散抑制结构可以有效抑制砰击等瞬态动载作用或各类初始条件下海洋结构中典型线性梁1和线性板架的自由振动。
参见图3a、图3b、图4、图5a和图5b，为说明以上过程，这里采用有限元方法(软件采用ABAQUS-6.14)进行了研究。抑制结构有限元模型如图1所示，线性梁1上设置集中质量(此处为5Kg)，抑制结构(含集中质量)基频约为9，外部瞬时冲击载荷(此处力峰值为8700N，如图4所示)作用于线性梁1中点(竖直向下)；为对比本抑制结构自由振动效果，以传统梁系结构(即未加装von-Mises桁架的梁结构，如L型梁)为对象进行对比研究，传统梁系结构有限元模型如图3a和图3b所示，设计L型梁初始刚度与本发明抑制结构的初始刚度一致，以前述相同瞬时冲击载荷加载。本发明抑制结构与传统梁系结构响应时程如图5a和5b所示，本发明抑制结构的响应标记为nonlinear，传统梁系结构的响应标记为linear。图5a为两类结构中线性梁1中点的位移时程，可见nonlinear结构(本发明抑制结构)响应衰减速度远大于linear结构(传统梁系结构)，图5b为nonlinear结构中von-Mises桁架顶点(高刚度撑杆交叉点)位移时程，出现竖向线性弹簧约束下的低频周期运动和von-Mises的高频自由振动的组合。本发明抑制结构与传统梁系结构自由振动过程具体如下：本发明抑制结构中，线性梁1向下弯曲，竖向线性弹簧随之压缩，von-Mises桁架承受竖向线性弹簧向下的反力，该反力随线性梁1弯曲而增大，超过von-Mises桁架稳定极限后，von-Mises桁架出现突弹跳变，由稳态一(图2a)迅速转换为稳态二(图2b)，在竖向线性弹簧约束下以低周期振动同时产生自由振动(频率接近von-Mises桁架固有频率，远高于抑制结构整体自由振动频率)(图5b)，该上变频机制使得nonlinear结构(本发明抑制结构)振幅衰减远远大于linear结构(传统梁系结构)(图5a)；线性梁1向下弯曲达到最大值后，反向振动，竖向线性弹簧随之拉伸，反力随线性梁1弯曲而增大，超过von-Mises桁架稳定极限后，von-Mises桁架再次突弹跳变，由稳态二迅速转换为稳态一(图2a)，并在稳态一自由振动，上变频再次出现使耗散效率以级数增大；以上过程随线性结构振动反复出现，抑制结构振幅迅速降低，线性弹簧反力无法超过von-Mises桁架稳定极限后，抑制结构整体进入低幅线性振动状态。
参见图7，进一步的，本发明还提供一种具有上述抑制结构的线性板架。可根据线性板架尺寸，将多个本发明抑制结构并排固定在线性板架本体5上，多个抑制结构等间距均匀布置。
在一种示例性实施例中，线性板架为简支结构，瞬时载荷作用在线性板架本体5的中部上侧，则在线性板架本体5的下侧等间距并排安装多个抑制结构，桁架3位于瞬时载荷作用区域的下侧。当瞬时载荷作用在该线性板架中部上侧时，抑制结构产生自由振动抑制作用。
这里采用有限元方法，分别对集成有抑制结构的线性板架与传统海洋工程中线性板架’进行研究：假设集成有抑制结构的线性板架与传统海洋工程中的线性板架’均为简支结构，两者初始刚度同，载荷作用时程如图4所示，这里为均布截荷，幅值为3.5×105N/m2，作用区域在线性板架的中部(如图6所示)，两者结构响应时程如图8所示，集成有抑制结构的线性板架标记为nolinear,传统海洋工程中中线性板架’标记为linear；如图8b所示，相对于传统海洋工程中的线性板架’，集成有抑制结构的线性板架出现前述上变频现象，使结构耗散以级数增加，自由振动幅值急速下降(图8a)。
在一种示例性实施例中，竖向线性弹簧4的刚度Kv＝4×105N·m-1,横向线性弹簧32的刚度为Kh＝2.3×107N·m-1，刚性撑杆与滑槽之间的夹角θ0＝11°。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其特征在于，包括线性梁(1)、竖向线性弹簧(4)、桁架(3)以及支撑桁架(3)的桁架支撑结构(2)；所述线性梁(1)与桁架支撑结构(2)平行设置，沿桁架支撑结构(2)长度方向设有滑槽；所述桁架(3)包括刚性撑杆(31)和横向线性弹簧(32)，所述刚性撑杆(31)为两根，两根刚性撑杆(31)的一端铰接，另一端通过横向线性弹簧(32)与桁架支撑结构(2)连接；所述桁架(3)安装在滑槽内，其刚性撑杆(31)的另一端可沿滑槽滑动，在初始状态下，刚性撑杆(31)与滑槽呈夹角设置；所述桁架(3)的顶部通过竖向线性弹簧(4)与线性梁(1)耦合。
2.根据权利要求1所述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其特征在于，所述桁架(3)还包括滑块(33)，该滑块(33)铰接在刚性撑杆(31)的另一端，刚性撑杆(31)通过滑块(33)与横向线性弹簧(32)连接；沿所述滑槽设有导轨(21)，所述滑块(33)配合在导轨(21)上、且可沿导轨(21)滑动。
3.根据权利要求1或2所述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其特征在于，所述刚性撑杆(31)采用铝、铁或塑料制成。
4.根据权利要求1或2所述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其特征在于，所述支撑结构采用铝、铁或塑料制成。
5.根据权利要求4所述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构，其特征在于，所述支撑结构为三角形结构。
6.一种线性板架，其特征在于，包括线性板架本体(5)及抑制结构，所述抑制结构为权利要求1～5中至一项所述的基于双稳态-线性耦合的自由振动抑制结构。
7.根据权利要求1所述的线性板架，其特征在于，所述抑制结构并排等间隔安装在线性板架本体(5)的下侧。
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