CN111120558B

CN111120558B - 一种摩擦忆阻尼器装置

Info

Publication number: CN111120558B
Application number: CN201911294061.2A
Authority: CN
Inventors: 聂佳梅; 韦颢; 张孝良; 赵睿杰; 顾琦; 郎涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN111120558A

Abstract

本发明涉及一种摩擦忆阻尼器装置，包括管和绳，所述绳具有两段直径不同的绳体，分别为粗绳部分和细绳部分，粗绳部分与管的内壁接触并产生挤压，且接触面积随着绳与管的相对位移的变化而变化。管和绳分别作为第一和第二两个独立的端点，粗绳部分在两个端点产生相对运动时，会与管内壁产生滑动摩擦力，即为阻尼力，产生的阻尼力与两个端点相对速度之比会随着两个端点相对位移的变化而变化，使用时可以连接到一个系统中用来减振耗能。

Description

一种摩擦忆阻尼器装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦忆阻尼器装置，特指一种阻尼与位移相关的摩擦型阻尼装置。

背景技术

摩擦阻尼器，是一种通过利用摩擦面的摩擦耗能消耗振动能量的装置。摩擦阻尼器最早出现在上世纪70年代。1982年，Pall摩擦阻尼器的概念被提出。2004年，专利CN2615428Y以Pall摩擦阻尼器为基础，公开了一种T型芯板摩擦阻尼装置。摩擦阻尼器的减振耗能效果主要取决于法向压力与接触面的摩擦系数。传统的摩擦阻尼器，例如T型芯板摩擦阻尼装置，它的法向压力取决于螺栓预紧力，并且一旦确定预紧力大小，摩擦力大小就不可改变。因此，传统的摩擦阻尼器的摩擦力无法随着位移改变而改变。

忆阻器的概念早在1971年的时候就被提出来，用来描述电荷与磁链之间的关系。忆阻器(Memristor)是由“记忆(Memory)”与“电阻(Resistance)”合成而来，指具有记忆能力的电阻器。尽管从理论上已经推导出了忆阻器的存在，但忆阻器的实物直到2008年才在惠普实验室被找到。根据机电相似原理，在机械系统中必然存在着对应于电学记忆元件的机械记忆元件，包括机械忆阻器、忆容器和忆感器。

针对传统摩擦阻尼器摩擦阻尼力无法随着位移变化而变化导致的自适应性差、减振效果差的问题，本发明提出一种摩擦阻尼力随着位移变化而变化的摩擦忆阻尼器方案。针对液压式锥形阻尼器对密封等级要求高、结构复杂、成本高的问题，本发明提出一种结构简单、成本低的摩擦忆阻尼器装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种摩擦忆阻尼器装置，该装置的摩擦阻尼力随着位移的变化而变化，具有非线性、记忆特性和较好的自适应性，并且该装置结构简单、易于制造、成本低。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种摩擦忆阻尼器装置，包括管和位于所述管内的绳，所述管作为其中一个独立运动的端点，所述绳作为另一个独立运动的端点，所述绳具有两段直径不同的绳体，分别为粗绳部分和细绳部分，所述粗绳部分与所述管的内壁接触并产生挤压，且接触面积随着绳与管的相对位移的变化而变化，所述细绳部分与所述管的内壁不产生摩擦。

上述方案中，所述粗绳部分与所述管的内壁之间的阻尼力－相对速度特性曲线是一个扭曲的滞回环，动量－相对位移特性曲线是一条单值映射曲线。

上述方案中，所述管为铜管、不锈钢管、塑料管、复合材料管中的任意一种管。

上述方案中，所述管的形状为螺旋管、直管或其它形状的管。

上述方案中，所述绳为尼龙绳、聚酯纤维绳、麻绳中的任意一种绳。

本发明的有益效果：第一，本发明提供的一种摩擦忆阻尼器装置具有以下的特点：(1)装置提供的阻尼力随两个端点相对位移变化而变化；(2)装置的阻尼力－速度特性曲线是一个扭曲的滞回环，扭曲的滞回环在电学中是记忆元件的标志；(3)装置的动量－位移特性曲线是一条单值映射曲线。这就说明该装置可以克服现传统阻尼器装置阻尼恒定不变的缺点，提供一种阻尼随位移变化而变化的力控制特性。第二，本发明提供的摩擦忆阻尼器装置和锥形阻尼器相比，性能相似，都具有记忆特性，而本装置具有易于制造、成本较低、结构简单等优势。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1为实施例的摩擦阻尼器装置三维结构图。

图2为实施例的摩擦阻尼器装置剖视图。

图3为摩擦阻尼器装置位移-阻尼特性曲线图。

图4为摩擦阻尼器装置速度-阻尼特性曲线图。

图5为摩擦阻尼器装置位移-动量特性曲线图。

图中，1-管2-绳3-粗绳部分4-细绳部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1和图2是本摩擦忆阻尼器装置的实施例，包括管1、绳2，所述绳2具有两段粗细不同的绳体，分别为粗绳部分3和细绳部分4；所述粗绳部分3与管1的内壁相挤压并将铜管分为两部分：与粗绳部分3接触的部分相互之间产生摩擦力，而未与粗绳部分3接触的部分不产生摩擦力。所述管1作为一个端点，所述绳2作为另一个端点，又由于粗绳部分3与管的内壁接触的长度会随着两个端点相对位移的变化而变化，因此产生的摩擦阻尼力会随着两个端点相对位移的变化而变化。

图1和图2所示的装置在实施过程中采用的绳2是尼龙绳，但并不限于此，也可以采用聚酯纤维绳或麻绳，只要保证绳子的材料强度足够、耐磨、弹性好即可。装置采用的管1是铜管，但不限于此，也可以采用不锈钢、塑料或复合材料的管，只要保证管的强度高、质量轻即可。装置采用的管是螺旋管，但不限于此，也可以采用直管或其它形状的管。

在图1和图2所示的实施例中，装置的阻尼力不是恒定的常数，而是会随着位移的变化而变化的，或者说阻尼力是位移的函数，而这个函数由尼龙绳的半径和弹性模量、铜管的半径以及铜管与尼龙绳之间的滑动摩擦系数等确定的。

下面以图1和图2为例说明本发明提供的装置是理想忆阻尼器模型的实现装置。

设L为起始时尼龙绳粗绳部分与螺旋铜管接触长度，r为尼龙绳横截面半径，R为螺旋铜管的管道半径，E为尼龙绳弹性模量，μ为铜管与尼龙绳之间的滑动摩擦系数。设F是施加在两个端点上的等大反向的力，x是两个端点的相对位移。根据摩擦力计算公式，尼龙绳对铜管的相对位移与施加在两个端点上的力是线性相关的，即

F＝μN (1)

其中，N是铜管内壁对尼龙绳的正压力，它可以表达为N＝Eε(L+x) (2)

其中，ε是尼龙绳径向弹性应变，它可以表达为ε＝2(r-R) (3)

这表明，阻尼力与尼龙绳与铜管半径之差成正比，与尼龙绳弹性模量成正比，与尼龙绳与铜管之间滑动摩擦系数也成正比。设滑动摩擦系数μ的值为0.48，起始接触粗绳长度L的值为1m，尼龙绳弹性模量E的值为80000Pa，尼龙绳粗绳半径r的值为0.005m，螺旋铜管管道半径R的值为0.004m。计算得到的结果如图3所示。

图3表明，摩擦阻尼器装置的阻尼力不是恒定不变的常数，而是会随着相对位移的变化而变化，这说明它的阻尼特性是位移相关的。从图4可以看出，装置的F-v阻尼曲线并不像线性阻尼那样是一条有斜率的直线，而是一个扭曲的滞回环，它是忆阻尼器的典型标志，这说明该装置是一个忆阻尼器。由于上述F-v曲线不是单值映射的，因此无法用阻尼力F和速度v之间的关系来定义装置的忆阻尼特性。而从图5可以看出，装置的p-x阻尼特性曲线是单值映射的，因此图中的动量与相对位移之间的关系可以用来定义装置的忆阻尼特性。

综上所述，本发明提供的摩擦忆阻尼器装置与传统摩擦阻尼器装置相比，在阻尼的位移相关性方面，该装置实现了阻尼力随位移的变化而变化，在阻尼的力学特性方面，计算结果表明，该装置具有非线性及记忆特性。而与锥形阻尼器相比，该装置结构简单，成本低，却仍有良好的减振耗能的效果。

Claims

1.一种摩擦忆阻尼器装置，其特征在于，包括管（1）和位于所述管（1）内的绳（2），所述管（1）作为其中一个独立运动的端点，所述绳（2）作为另一个独立运动的端点，所述绳（2）具有两段直径不同的绳体，分别为粗绳部分（3）和细绳部分（4），所述粗绳部分（3）与所述管（1）的内壁接触并产生挤压，且接触面积随着绳（2）与管（1）的相对位移的变化而变化，所述细绳部分（4）与所述管（1）的内壁不产生摩擦；所述粗绳部分（3）与所述管（1）的内壁之间的阻尼力－相对速度特性曲线是一个扭曲的滞回环，动量－相对位移特性曲线是一条单值映射曲线。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦忆阻尼器装置，其特征在于，所述管（1）为铜管、不锈钢管、塑料管、复合材料管中的任意一种管。

3.根据权利要求2所述的一种摩擦忆阻尼器装置，其特征在于，所述管（1）的形状为螺旋管、直管或其它形状的管。

4.根据权利要求2或3所述的一种摩擦忆阻尼器装置，其特征在于，所述绳（2）为尼龙绳、聚酯纤维绳、麻绳中的任意一种绳。