CN111236459B - 一种半主动多孔自供能多维减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动多孔自供能多维减振器，包括内部外部两个球形腔体，两腔体通过弹簧装置连接，内外腔体之间充满多孔材料。内部球形腔体中空，中心有球形液体容器。所述的内腔体内部有一定数量的质量球；所述的内腔体中心球形液体容器通过柱状通道与内腔体壁连接；所述的柱状通道内部置有阻尼通道，阻尼通道外部缠绕有励磁线圈；所述的内腔体内侧壁上设有压电发电单元，压电发电单元与固定在柱状通道外壁的控制器和电能提取与存储单元串联形成闭合回路。竖直平面内所述的弹簧装置，柱状通道和压电发电装置均匀分布有8个，此竖直平面绕球体中轴旋转，水平面360°内均布有8个。

Description

一种半主动多孔自供能多维减振器

技术领域

本发明涉及一种半主动多孔自供能多维减振器，特别涉及一种磁流变压电发电与多孔材料结合的阻尼器，主要用于工程结构的减振控制。

背景技术

随着社会经济迅速发展，建筑物结构形式越来越多样，然而近年来风、地震等环境因素导致建筑物损坏甚至倒塌的事件屡见不鲜，因而振动对于建筑物安全、适用、耐久性具有重要影响，成为建筑物防灾减灾不可忽略的一部分。在土木工程领域，对于结构形式较为复杂的建筑物尤其对于大跨度、高耸、柔性结构，在强烈振动下容易发生水平及竖向振动，导致结构构造突变，甚至发生倒塌事故，后果不堪设想。目前来说，振动控制技术是减小结构振动的最有效经济的方法，因此研究结构的水平向及竖向振动和破坏机理，合理地设计抗振减振装置，进而实现结构的振动控制，对于保障结构安全平稳运行具有重要的现实意义。

近年来，随着新型材料加工应用技术的日渐成熟，许多新型智能材料也被应用于减振控制领域，其中，压电陶瓷具有结构简单、无电磁干扰、易加工、能耗低、和易于控制等优势，在主动与半主动控制中得到了广泛的应用。磁流变液由于具有较强的塑性粘度，在相当宽的温度范围内具有较高的稳定性、响应速度快、杂质干扰小、能耗低等特性，同样也已经在隔振减振领域得到一定的应用。多孔阻尼材料有质轻，高阻尼的特点，同时具有较好的吸振隔振和吸能耗散的能力，此类高阻尼材料也逐渐应用到减振控制领域。

发明人发现目前实际工程中应用减振控制装置进行振动控制的实例越来越多，大多数集中于水平方向和竖直方向的减振控制研究，对于各个方向的振动控制响应研究较少。随着社会发展，建筑结构形式不断丰富，高度不断增加，环境荷载的不确定性因素较多，单纯的水平方向和竖直方向振动已经不能满足振动控制要求。

发明内容

基于以上研究现状，本发明目的是提供一种半主动多孔自供能多维减振器，旨在减小高层建筑、高耸结构、大跨网壳及和桥梁等大跨度空间结构在风荷载及地震作用下各个方向的振动响应，以达到耗能减振的目的；以半主动控制策略有效的控制了结构的不良振动。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提出的一种半主动多孔自供能多维减振器，包括内部球形腔体和外部球形腔体，内部球形腔体位于外部球形腔体内，两腔体之间通过沿径向设置的弹簧装置连接，且内部球形腔体和外部球形腔体形成的环形腔内充满多孔材料；内部球形腔体的中心有球形液体容器；在所述的球形液体容器内填充有磁流变液，所述的内部球形腔体内部有一定数量的质量球；所述的球形液体容器通过柱状通道与所述的环形腔连通；所述的柱状通道内部置有阻尼通道，阻尼通道外部缠绕有励磁线圈；所述的内部球形腔体内侧壁上设有压电发电单元，所述的压电发电单元与固定在柱状通道外壁的控制器、电能提取与存储单元、励磁线圈串联形成闭合回路。

作为进一步的技术方案，在竖直平面内所述的弹簧装置、柱状通道和压电发电装置均匀分布有8个，此竖直平面绕球体中轴旋转，水平面360°内均布有8个。

当结构发生沿各个方向的振动时，质量球由于惯性带动内部球形腔体振动，弹簧装置压缩，挤压多孔材料，使磁流变液沿阻尼通道向中心的球形液体容器流动，同时，质量球碰撞挤压压电发电单元，压电发电单元受压力产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元中，压力传感器感受到压力大小变化并将信号传至控制器，控制器根据压力大小控制励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后可改变阻尼通道内的磁场强度，阻尼通道内的磁流变液流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液的流动性和粘度发生变化，提高输出阻尼力，从而达到减振控制的目的。

同时，内部球形腔体内壁和其内部的质量球表面均附有粘弹性材料，质量球之间和质量球与内部球形腔体内壁之间碰撞摩擦，将机械能转化为热能，从而起到减振控制作用。内部球形腔体碰撞挤压多孔材料，多孔材料的吸振减振能力可以起到减振作用。

进一步的技术方案为，所述的外部球形腔体由不锈钢材料制成，内侧涂有环氧树脂涂料(环氧树脂涂料具有防水、绝缘、抗腐蚀等特性)。

进一步的技术方案为，所示的外部球形腔体固定在底板上，底板通过螺栓固定在建筑结构上。

进一步的技术方案为，所述的弹簧装置有上下两个套筒，上部套筒内径大于下部套筒外径，弹簧放置在两套筒内，一端连接上部套筒中心，另一端连接下部套筒中心，上下套筒分别与内部球形腔体和外部球形腔体固接，以便约束弹簧的伸缩轨迹和伸缩长度。

进一步的技术方案为，所述的弹簧形状记忆合金(Shape memory alloy，简称SMA)制作而成，具有自复位功能。

进一步的技术方案为，所述的多孔材料为树脂聚合物多孔材料，并且材料密度不均，由内侧到外侧依次为疏密疏。

进一步的技术方案为，所述的内部腔体内壁和其内部的质量球表面均设有粘弹性材料。

进一步的技术方案为，所述的压电发电单元由多个叠放的薄片压电陶瓷串联组成。

进一步的技术方案为，所述的压电发电单元外表面附有高弹性海绵橡胶板，以保护压电发电单元。

进一步的技术方案为，所述的压力传感器用于感应质量球压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。压电发电单元、电能提取与存储单元、控制器和励磁线圈机构电连接形成闭合回路。

进一步的技术方案为，所述的内部和外部球形腔体之间的空隙，多孔材料，阻尼通道和内部腔体中心球形液体容器均为连通的，内部充满磁流变液。

进一步的技术方案为，所述的阻尼通道中设有阻尼网，增大阻尼力。

进一步的技术方案为，所述的柱状通道内表面涂有环氧树脂涂料，以避免收到其他磁场影响。

本发明的工作原理如下：

当结构发生沿各个方向的振动时，质量球由于惯性带动内部球形腔体振动，弹簧装置压缩，内部球形腔体挤压多孔材料，使磁流变液沿阻尼通道向中心的球形液体容器流动，同时，质量球碰撞挤压压电发电单元，压电发电单元受力产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元中，压力传感器感受到压力大小变化并将信号传至控制器，控制器根据压力大小控制励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后可改变阻尼通道内的磁场强度，阻尼通道内的磁流变液流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液的流动性和粘度发生变化，同时阻尼通道内的阻尼网提高了阻尼力，装置整体阻尼力输出得到提高，从而达到减振控制的目的。

同时，内部球形腔体内壁和其内部的质量球表面均附有粘弹性材料，质量球之间和质量球与内部球形腔体内壁之间碰撞摩擦，将机械能转化为热能耗散掉，从而起到减振控制作用。内部球形腔体碰撞挤压多孔材料，多孔材料的吸振减振能力可以起到减振作用，经研究表明，结构形式为疏-密-疏的多孔材料减振抗冲击的效果最好。

本发明的有益效果是：

本发明在阻尼器的设计中使用半主动控制理论，利用磁流变液的在变化磁场下瞬时流变的特性来即时给阻尼器提供瞬变的阻尼力，调整阻尼器阻尼和刚度，大大改善了一般半主动装置的时滞问题，从而实现良好的智能减振控制。

本发明应用压电陶瓷实现半主动减振装置的自主供能，将压电发电单元受振动产生的电能收集起来给励磁线圈供电，并用压力传感器与控制器控制励磁线圈内的电流变化，使磁流变液减振效果更佳。避免了能源浪费，解决了磁流变液减振方式因供能问题而导致地域受限的问题。

本发明采用疏-密-疏这种新型结构形式的多孔材料，相对于一般密度均匀的多孔材料具有更好的减振效果，其对低频振动的减震效果尤其显著，使阻尼器在较宽的振动频率范围内实现智能控制。

本发明实现了空间内各个方向减振控制，改变了传统减振控制中仅沿水平或竖直方向振动控制的局限，增大了控制范围，可得到更好的减振控制效果。

本发明构造简单，维护方便，可用于高耸、体型复杂和安全要求高的建筑结构减振，保证结构的安全性和耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种半主动多孔自供能多维减振器的正视图；

图2为一种半主动多孔自供能多维减振器的压电发电装置细部图；

图3为一种半主动多孔自供能多维减振器的磁流变阻尼装置细部图；

图中：1外部球形腔体，2内部球形腔体，3中心球形液体容器，4底部支座，5多孔材料，6下部套筒，7上部套筒，8弹簧，9柱状通道，10磁流变液，11阻尼通道，12压电发电装置，13压电发电单元，14高弹性海绵橡胶板，15粘弹性材料，16压力传感器，17控制器，18电能提取与存储单元，19质量球，20阻尼网，21励磁线圈，22环氧树脂涂料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

相比其他半主动控制装置而言，本装置无需输入能量即可实现与主动控制相近的减振效果，构造简单，造价经济，具有广泛的应用前景。本发明结合半主动控制技术理论，将磁流变阻尼器和压电陶瓷联合工作，又采用疏-密-疏的新型多孔结构扩大减振的频率范围，同时采用性状记忆合金(Shape memory alloy，简称SMA)智能材料，实现多种形式的耗能减振，大大提高阻尼器阻尼力输出能力。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，定义图1中的底部支座的上表面所在方向为X轴方向；定义在水平面上，与X轴方向垂直的方向为Y方向。

本发明包括内部和外部两个球形腔体分别为外部球形腔体1和内部球形腔体2，均为中空，其中，外部球形腔体1内壁涂有环氧树脂涂料22，外部球形腔体1通过底部支座4固定在建筑结构上。内部球形腔体2置于外部球形腔体1内，两者通过弹簧装置连接，所述的弹簧装置由下部套筒6和上部套筒7以及弹簧8组成，上部套筒7与内部球形腔体2固接，下部套筒7与外部球形腔体1固接，且上部套筒7内径大于下部套筒6的外径，弹簧8置于中间，弹簧8的一端与外部球形腔体1相连，弹簧8的另外一端与内部球形腔体2相连；上部套筒7可随弹簧8沿其轴向在下部套筒6外运动。外部球形腔体1与内部球形腔体2之间形成的环形腔中填充有多孔材料5，多孔材料5结构的密度形式为疏-密-疏。内部球形腔体2内有中心球形液体容器3，两者之间通过多个柱状通道9连接，多个柱状通道9内有磁流变阻尼系统，内部球形腔体2的内壁装有压电发电装置9。中心球形液体容器3，多孔材料5、阻尼通道11均为连通的，中间充满磁流变液10，可以在三者间自由流动。

在本实施例中，外部球形腔体1由不锈钢材料制成，内侧涂有环氧树脂涂料(环氧树脂涂料具有防水、绝缘、抗腐蚀等特性)。

在本实施例中，在竖直平面内所述的弹簧装置、柱状通道和压电发电装置均匀分布有8个，此竖直平面绕球体中轴旋转，水平面360°内均布有8个。

本实施例中，所述的弹簧采用形状记忆合金(Shape memory alloy，简称SMA)制作而成，具有自复位功能。

本实施例中，所述的多孔材料为树脂聚合物多孔材料，并且材料密度不均，由内侧到外侧依次为疏密疏。

本发明的压电发电装置12中细部结构在图2可见，压电发电单元13由压电陶瓷构成，压电陶瓷薄片串联叠放构成压电发电单元13，压电发电单元上部两侧有压力传感器16，压电陶瓷外表面设有高弹性海绵橡胶板14，避免压电发电单元13受压损坏，橡胶板外侧附有粘弹性材料15，质量球19至于内部球形腔体2内，表面也设有粘弹性材料15，控制器17和电能提取与存储单元18串联，均固定在柱状通道9外侧。压力传感器16用于感应质量球压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。压电发电单元、电能提取与存储单元、控制器和励磁线圈机构电连接形成闭合回路。

本发明的磁流变阻尼装置细部图如图3所示，柱状通道9内有阻尼通道11，阻尼通道内设有阻尼网20，通道内充满磁流变液11，阻尼通道外部缠绕有励磁线圈21，柱状通道9内壁涂有环氧树脂材料22以防止其他磁场对其产生影响，励磁线圈21与压电发电装置12中的压电发电单元13、控制器17、电能提取与存储单元18电联形成闭合回路。

进一步的，在柱状通道9内表面涂有环氧树脂涂料，以避免收到其他磁场影响。

当主体结构发生沿各个方向的振动时，质量球19由于惯性带动内部球形腔体2振动，弹簧装置压缩，内部球形腔体2外壁挤压多孔材料5，使磁流变液10沿阻尼通道11向中心的球形液体容器3流动，同时，质量球19碰撞挤压压电发电单元13，压电发电单元13受压产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元18中，压力传感器16感受到压力大小变化并将信号传至控制器17，控制器17根据压力大小控制励磁线圈21中的电流大小。励磁线圈21通电后可改变阻尼通道内11的磁场强度，阻尼通道11内的磁流变液10流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液10的流动性和粘度发生变化，同时阻尼通道内的阻尼网20提高了阻尼力，装置整体阻尼力输出得到提高，从而达到减振控制的目的。

同时，内部球形腔体2内壁和其内部的质量球19表面均附有粘弹性材料15，质量球19之间和质量球19与内部球形腔体2内壁之间碰撞摩擦，将机械能转化为热能耗散掉，从而起到减振控制作用。内部球形腔体2碰撞挤压多孔材料5，多孔材料5的吸振减振能力可以起到减振作用，经研究表明，结构形式为疏-密-疏的多孔材料减振抗冲击的效果最好。

该装置在阻尼器的设计中使用半主动控制理论，利用磁流变液的在变化磁场下瞬时流变的特性来即时给阻尼器提供瞬变的阻尼力，调整阻尼器阻尼和刚度，大大改善了一般半主动装置的时滞问题，从而实现良好的智能减振控制。

该装置应用压电陶瓷实现半主动减振装置的自主供能，将压电发电单元受振动产生的电能收集起来给励磁线圈供电，并用压力传感器与控制器控制励磁线圈内的电流变化，使磁流变液减振效果更佳。避免了能源浪费，解决了磁流变液减振方式因供能问题而导致地域受限的问题。

该装置采用疏-密-疏这种新型结构形式的多孔材料，相对于一般密度均匀的多孔材料具有更好的减振效果，同时其对低频振动的减震效果尤其显著，使阻尼器在较宽的振动频率范围内实现控制。同时利用形状记忆合金的超弹性特性，当振动结束后，由于形状记忆合金具有良好的变形恢复能力，使结构恢复到原始状态，避免影响该减振装置下次使用时的工作性能。

该装置实现了空间内各个方向减振控制，改变了传统减振控制中仅沿水平竖直方向振动控制的局限，增大了控制范围，可得到更好的减振控制效果。

该减振装置应安装在建筑物容易发生振动破坏的位置，可以在很大程度上减小多方向的振动对结构造成的损伤。同时该装置具有构造简单，造价低，易于安装等优点。

本专利的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本专利的实施方式不限于此，凡此种种根据本专利的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本专利上述基本技术思想前提下，对本专利上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，包括内部球形腔体和外部球形腔体，内部球形腔体位于外部球形腔体内，两腔体之间通过沿径向设置的弹簧装置连接，且内部球形腔体和外部球形腔体形成的环形腔内充满多孔材料；内部球形腔体的中心有球形液体容器；在所述的球形液体容器内填充有磁流变液，所述的内部球形腔体内部有一定数量的质量球；所述的球形液体容器通过柱状通道与所述的环形腔连通；所述的柱状通道内部置有阻尼通道，阻尼通道外部缠绕有励磁线圈；所述的内部球形腔体内侧壁上设有压电发电单元，所述的压电发电单元与固定在柱状通道外壁的控制器、电能提取与存储单元、励磁线圈串联形成闭合回路。

2.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的内部球形腔体内壁和其内部的质量球表面均附有粘弹性材料。

3.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的外部球形腔体由不锈钢材料制成，内侧涂有环氧树脂涂料。

4.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所示的外部球形腔体固定在底板上，底板通过螺栓固定在建筑结构上。

5.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的弹簧装置有上、下两个套筒，上套筒内径大于下套筒外径，弹簧放置在两套筒内，一端连接上套筒中心，另一端连接下套筒中心，上、下套筒分别与内部球形腔体和外部球形腔体固接。

6.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的多孔材料为树脂聚合物多孔材料，并且材料密度不均，由内侧到外侧依次为疏、密、疏。

7.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的压电发电单元由多个叠放的薄片压电陶瓷串联组成。

8.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的压电发电单元外表面附有高弹性海绵橡胶板，以保护压电发电单元。

9.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的压电发电单元的上部外侧置有压力传感器，压力传感器用于感应质量球压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。

10.如权利要求1所述的一种半主动多孔自供能多维减振器，其特征在于，所述的阻尼通道中设有阻尼网，增大阻尼力；所述的柱状通道内表面涂有环氧树脂涂料。

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