CN111424832B - 一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，包括屏蔽箱、非线性能量阱模块和惯容阻尼模块，非线性能量阱模块设置于屏蔽箱内，惯容阻尼模块设置在屏蔽箱上方，屏蔽箱的底座固定于主体结构；非线性能量阱模块包括多组永磁体、回复力调节台座、滑动质量块和滑动轨道，回复力调节台座成对布置在滑动质量块两侧，每组永磁体分开设置在回复力调节台座及滑动质量块上；惯容阻尼模块包括黏滞阻尼器、传动机构及飞轮，黏滞阻尼器固定于滑动质量块上，飞轮转动设置在屏蔽箱上方，传动机构连接在黏滞阻尼器与飞轮之间。通过非线性能量阱模块吸收主体结构的振动能量以及通过惯容阻尼模块实现振动能量耗散和增效，减震控制效果好。

Description

一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器

技术领域

本发明涉及结构减震控制领域，特别涉及一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器。

背景技术

调谐质量阻尼器是附加于主结构的一类动力吸振器，其在高层、高耸或大跨度结构等高柔度的结构中得到越来越广泛的应用，可以对结构的地震响应、凤振响应或交通振动响应起到良好的控制作用，其通过自身与主结构之间的共振行为来吸收主结构的振动能量，并耗散振动能量，由此降低结构动力响应，保证结构的安全性、舒适性和正常使用功能。

然而，现有主流的调谐质量阻尼器都是基于线性刚度和阻尼进行设计的，只能针对目标频率产生窄频带的吸振作用，鲁棒性差，一旦主结构的振动频率与理论设计值出现一定偏差，或者主结构在地震作用或者动力作用下发生刚度退化等情况，则传统线性的调谐质量阻尼器的减振效果将显著降低。并且，传统基于线性刚度和阻尼的调谐质量阻尼器为了提高减振效果，往往要求具备很大的调谐质量，在实际工程中很难实现。

发明内容

本发明的目的是，提出一种既具有非线性能量阱机构，又耦合了惯容器功能的调谐质量阻尼器，通过新型的永磁体布局来实现非线性能量阱，达到宽频带的动力吸振功能，同时耦合了旋转轮形式的惯容元件，使共振过程的惯性增效，从而降低对调谐质量块的质量需求，同时兼顾刚度和惯容的可调性，总体达到宽频、高效的动力吸振效能。

本发明所采用的技术方案是：一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，包括屏蔽箱、非线性能量阱模块和惯容阻尼模块，屏蔽箱的底部设有底座，所述非线性能量阱模块设置于所述屏蔽箱内部，所述惯容阻尼模块设置在所述屏蔽箱上方，所述调谐质量阻尼器通过所述屏蔽箱的底座固定于主体结构；

所述非线性能量阱模块包括多组永磁体、回复力调节台座、滑动质量块和滑动轨道，所述滑动质量块活动设置在所述滑动轨道上，所述回复力调节台座成对布置在所述滑动质量块的两侧，每组所述永磁体呈相对设置，每组永磁体为同极永磁体，每组永磁体分开设置在所述回复力调节台座以及所述滑动质量块上；

所述惯容阻尼模块包括黏滞阻尼器、传动机构以及飞轮，所述黏滞阻尼器的主体油腔部分固定于所述滑动质量块上，所述飞轮转动设置在所述屏蔽箱的上方，所述传动机构连接在所述黏滞阻尼器的阻尼端与所述飞轮之间。

进一步地，所述传动机构包括相互啮合的传动齿条和齿轮，所述屏蔽箱上方设置有齿条台座，所述传动齿条嵌入于所述齿条台座，所述传动齿条与所述黏滞阻尼器的阻尼端铰接，所述传动齿条沿着所述齿条台座做直线运动，所述齿轮与所述飞轮同轴转动。

进一步地，所述黏滞阻尼器为双出杆阻尼器，所述飞轮的数量为两个，所述双出杆阻尼器两端的阻尼杆分别通过传动机构与所述飞轮连接。

进一步地，所述回复力调节台座通过调节机构装配于所述底座上，所述调节机构包括螺母和螺杆，所述螺母固定设置在所述回复力调节台座的底部，所述螺杆安装在所述底座上。

进一步地，设置在所述回复力调节台座以及所述滑动质量块之间的所述永磁体为一组或多组。

进一步地，所述飞轮上设置有惯质调节块，所述飞轮沿径向设置有条形口，惯质调节块通过调节杆安装在所述条形口内。

进一步地，所述飞轮上的惯质调节块的数量为两个，两个所述惯质调节块对称设置在所述飞轮上。

进一步地，所述屏蔽箱的制成材料选用软铁、电磁纯铁、球墨铸铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体、铁铝合金或铝铜合金中的任意一种。

有益效果：该发明中，一方面采用永磁体间的斥力构造调谐质量的非线性回复力，通过永磁体相对位置的调节实现对非线性回复力的调节，利用非线性振子与主体结构间的内共振机制实现对主体结构的宽频吸振行为。同时，惯容阻尼模块采用黏滞阻尼器作为能量耗散元件，利用传动机构将滑动质量块和黏滞阻尼器的水平运动转化为飞轮的旋转运动，实现对调谐质量惯性的增效。该调谐质量阻尼器整体形成带有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器系统。本发明的调谐质量阻尼器附加于主体结构上，利用其非线性能量阱模块吸收主体结构的振动能量，通过惯容阻尼模块实现振动能量耗散以及调谐作用的增效，有效降低结构的动力响应，实现对主体结构高效的减震控制效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：

图1为一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器的整体结构示意图；

图2为屏蔽箱上设置有两个飞轮的结构示意图；

图3为非线性能量阱模块安装于屏蔽箱底部的状态示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

非线性能量阱作为一类新型的调谐阻尼器，其刚度元件是强非线性的，目的是通过宽频带的内共振行为来达到对主结构在宽频带上的高效吸振行为，耗能高效且鲁棒性强。惯容器是一类将结构的直线运动转换为高速旋转运动从而有效的吸收耗散结构振动能量的装置，其能够通过运动方式的转换放大运动速度，使运动惯性增效。

参照图1至图3，本发明实施例提供一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器主要由屏蔽箱100、非线性能量阱模块以及惯容阻尼模块组成。具体地，屏蔽箱100的底部设有底座101，非线性能量阱模块设置于屏蔽箱100内部，惯容阻尼模块设置在屏蔽箱100上方，调谐质量阻尼器通过屏蔽箱100的底座101固定于主体结构。

该非线性能量阱模块主要由多组永磁体230、回复力调节台座210、滑动质量块220和滑动轨道240组成。具体地，屏蔽箱100的底部安装有滑动轨道240，滑动质量块220作为调谐质量且活动设置在滑动轨道240上，回复力调节台座210成对布置在滑动质量块220的两侧，回复力调节台座210固定安装在底座101上。每组永磁体230呈相对设置，每组永磁体230为同极永磁体230，每组永磁体230分开设置在回复力调节台座210以及滑动质量块220上。每组永磁体230中的两个同极永磁体230相互提供排斥力。

优选地，回复力调节台座210通过调节机构装配于底座101上，调节机构包括螺母和螺杆，螺母固定设置在回复力调节台座210的底部，螺杆安装在底座101上。转动螺杆即可实现回复力调节台的位置调节。本实施例中，节回复力调节台的数量设置为4个，分别布置在滑动质量块220的前后左右两侧。

通过调节回复力调节台与滑动质量块220之间的间距，可以实现回复力大小的调节。同时，设置在回复力调节台座210以及滑动质量块220之间的永磁体230为一组或多组。永磁体230的数量可结合实际需求设置。

惯容阻尼模块主要由黏滞阻尼器300、传动机构以及飞轮500组成，其中，黏滞阻尼器300的主体油腔部分固定安装在滑动质量块220上并跟随滑动质量块220移动，飞轮500转动设置在屏蔽箱100的上方，传动机构连接在黏滞阻尼器300的阻尼端与飞轮500之间。传动机构将黏滞阻尼器300的直线运动转换成飞轮500的转动。惯容阻尼模块采用黏滞阻尼器300作为能量耗散元件，利用传动机构将调谐质量和黏滞阻尼器300的水平运动转化为所述飞轮500的旋转运动，实现对调谐质量惯性的增效。

具体地，传动机构包括相互啮合的传动齿条410和齿轮420，屏蔽箱100上方设置有齿条台座，传动齿条410嵌入于齿条台座，齿条台座限制齿条只能在齿条的轴向方向上做直线移动。传动齿条410与黏滞阻尼器300的阻尼端铰接，传动齿条410沿着齿条台座做直线运动，齿轮420与飞轮500同轴转动。

优选地，黏滞阻尼器300为双出杆阻尼器，飞轮500的数量为两个，分别设置在黏滞阻尼器300的两端。双出杆阻尼器两端的阻尼杆分别通过传动机构与飞轮500连接。

为了实现对飞轮500转动惯量的调节，飞轮500上设置有惯质调节块600，飞轮500沿径向设置有条形口，惯质调节块600通过调节杆安装在条形口内。移动调节杆在条形口内的位置，可以实现惯质调节块600的位置调节，进而实现对飞轮500转动惯量的调节。

优选地，飞轮500上的惯质调节块600的数量为两个，两个惯质调节块600对称设置在飞轮500上。

本实施例中，屏蔽箱100的制成材料选用软铁、电磁纯铁、球墨铸铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体、铁铝合金或铝铜合金中的任意一种。或者由其它磁导率高的软磁材料制作而成，避免屏蔽箱100内外磁场的相互干扰。

该发明中，一方面采用永磁体230间的斥力构造调谐质量的非线性回复力，通过永磁体230相对位置的调节实现对非线性回复力的调节，利用非线性振子与主体结构间的内共振机制实现对主体结构的宽频吸振行为。同时，惯容阻尼模块采用黏滞阻尼器300作为能量耗散元件，利用传动机构将滑动质量块220和黏滞阻尼器300的水平运动转化为飞轮500的旋转运动，实现对调谐质量惯性的增效。该调谐质量阻尼器整体形成带有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器系统。本发明的调谐质量阻尼器附加于主体结构上，利用其非线性能量阱模块吸收主体结构的振动能量，通过惯容阻尼模块实现振动能量耗散以及调谐作用的增效，有效降低结构的动力响应，实现对主体结构高效的减震控制效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：包括屏蔽箱、非线性能量阱模块和惯容阻尼模块，屏蔽箱的底部设有底座，所述非线性能量阱模块设置于所述屏蔽箱内部，所述惯容阻尼模块设置在所述屏蔽箱上方，所述调谐质量阻尼器通过所述屏蔽箱的底座固定于主体结构；

所述非线性能量阱模块包括多组永磁体、回复力调节台座、滑动质量块和滑动轨道，所述滑动质量块活动设置在所述滑动轨道上，所述回复力调节台座成对布置在所述滑动质量块的两侧，每组所述永磁体呈相对设置，每组永磁体为同极永磁体，每组永磁体分开设置在所述回复力调节台座以及所述滑动质量块上；

所述惯容阻尼模块包括黏滞阻尼器、传动机构以及飞轮，所述黏滞阻尼器的主体油腔部分固定于所述滑动质量块上，所述飞轮转动设置在所述屏蔽箱的上方，所述传动机构连接在所述黏滞阻尼器的阻尼端与所述飞轮之间；

所述屏蔽箱的制成材料选用软铁、电磁纯铁、球墨铸铁、坡莫合金、硅钢、软磁铁氧体、铁铝合金或铝铜合金中的任意一种。

2.根据权利要求1所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：所述传动机构包括相互啮合的传动齿条和齿轮，所述屏蔽箱上方设置有齿条台座，所述传动齿条嵌入于所述齿条台座，所述传动齿条与所述黏滞阻尼器的阻尼端铰接，所述传动齿条沿着所述齿条台座做直线运动，所述齿轮与所述飞轮同轴转动。

3.根据权利要求2所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：所述黏滞阻尼器为双出杆阻尼器，所述飞轮的数量为两个，所述双出杆阻尼器两端的阻尼杆分别通过传动机构与所述飞轮连接。

4.根据权利要求1所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：所述回复力调节台座通过调节机构装配于所述底座上，所述调节机构包括螺母和螺杆，所述螺母固定设置在所述回复力调节台座的底部，所述螺杆安装在所述底座上。

5.根据权利要求1所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：设置在所述回复力调节台座以及所述滑动质量块之间的所述永磁体为一组或多组。

6.根据权利要求1所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：所述飞轮上设置有惯质调节块，所述飞轮沿径向设置有条形口，惯质调节块通过调节杆安装在所述条形口内。

7.根据权利要求6所述的具有可调式非线性能量阱及惯容的调谐质量阻尼器，其特征在于：所述飞轮上的惯质调节块的数量为两个，两个所述惯质调节块对称设置在所述飞轮上。

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