CN111441496A - 一种调频液柱阻尼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调频液柱阻尼装置，其包括底管道和两个侧管道，两个侧管道与底管道构成用于盛装阻尼液体的U型结构。侧管道中布置有发电管道，发电管道及底管道中分别布置有双晶悬臂振动组件，双晶悬臂振动组件包括多个双晶悬臂振动片，底管道中各双晶悬臂振动片沿底管道长度方向布置，发电管道内部的各双晶悬臂振动片交错布置。双晶悬臂振动片布置有压电材料，发电管道的底部侧壁成型有多个透水孔。受到外激励时，该装置中的阻尼液体振荡吸收部分外激励能量，阻尼液体带动各双晶悬臂振动片振动，双晶悬臂振动片将振动能转化为电能。该装置结合耗散振动和能量采集功能，本发明可广泛应用于建筑结构振动控制技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构振动控制技术领域，特别涉及一种调频液柱阻尼装置。
背景技术
现有高层建筑中，为了减轻风振及偶发地震对主体结构的破坏，常利用TLD(调频液体阻尼器)装置来吸能。TLD装置一般由固定在需要控制的目标结构物上的水箱及水箱中的液体组成，其基本原理是利用水箱中的液体在晃荡中产生的动侧压力来提供减振力。TLCD(调频液体柱状阻尼器)是TLD的一个分支，这种阻尼器是利用U形管中液体的晃动对结构的振动施加控制力，通过在U形管中设置的特定隔板增加液体运动的阻尼吸收结构振动能量，达到减振目的。这种阻尼器使用简单、安装方便、易于调频、成本低，是大型土木结构具有很大发展前景的一种被动控制装置。不管是TLD还是TLCD，其原理都是利用二次系统吸收主体结构的振动能量并耗散掉，但是若能将这些能量转化为电能等可利用的能源，则能促进建筑结构振动能源的二次利用。
发明内容
为解决上述技术问题中的至少之一，设计具有能量采集功能的调频液柱阻尼器，本发明提供一种调频液柱阻尼装置，所采用的技术方案如下：
本发明所提供的调频液柱阻尼装置包括底管道和两个侧管道，两个所述侧管道分别与所述底管道连通，两个所述侧管道与所述底管道构成用于盛装阻尼液体的U型结构，所述侧管道中布置有发电管道，所述底管道和所述发电管道的内壁分别布置有双晶悬臂振动组件，所述双晶悬臂振动组件包括多个双晶悬臂振动片，所述底管道中各所述双晶悬臂振动片沿所述底管道长度方向布置，所述双晶悬臂振动片布置有压电材料，所述发电管道的底部侧壁成型有多个透水孔。
进一步，所述发电管道与对应的所述侧管道同轴布置。
进一步，所述压电材料包括压电陶瓷和/或压电片。
进一步，所述压电材料涂有防水材料。
进一步，两个所述侧管道与所述底管道构成的U型结构中装有阻尼液体。
进一步，所述阻尼液体的液面低于所述发电管道的顶端。
进一步，所述透水孔的数量为四个，其中相对的两个所述透水孔的中心连线与所述底管道的长度方向平行，另外两个所述透水孔的中心连线与所述底管道的长度方向垂直。
进一步，所述发电管道内部的各所述双晶悬臂振动片交错布置，形成弯折的水流路径。
进一步，所述发电管道中各所述双晶悬臂振动片在所述发电管道底部的投影部分有部分重叠。
进一步，所述底管道中的各双晶悬臂振动片的尺寸、质量、刚度不完全相同，所述发电管道中的各双晶悬臂振动片的尺寸、质量、刚度不完全相同。
有益效果：受到外激励时，该装置中的阻尼液体产生振荡吸收部分外激励能量，阻尼液体带动各双晶悬臂振动片振动，双晶悬臂振动片将振动能转化为电能。该装置结合耗散振动和能量采集功能，既能够吸收结构物遭外激励时产生的振动能，又能充分利用吸收的能量将其转化为电能。本发明可广泛应用于建筑结构振动控制技术领域。
附图说明
图1为该装置的结构示意图；
图2为底管道的断面示意图；
图3为发电管道的纵剖示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图3对本发明做进一步的说明。
本发明涉及一种调频液柱阻尼装置，其包括底管道11和两个侧管道12，两个侧管道12分别与底管道11连通，两个侧管道12与底管道11一体成型，两个侧管道12与底管道11构成用于盛装阻尼液体的U型结构，侧管道12中布置有发电管道13，发电管道13的下端固定在底管道11的底部。某些实施例中，发电管道13与对应的侧管道12同轴布置。
发电管道13的底部侧壁成型有多个透水孔15，以保证发电管道13与底管道11的连通。进一步的，各透水孔15沿圆周均匀分布。某些实施例中，透水孔15的数量为四个，其中相对的两个透水孔15的中心连线与底管道11的长度方向平行，另外两个透水孔15的中心连线与底管道11的长度方向垂直。
某些实施例中，两个侧管道12与底管道11构成的U型结构中装有阻尼液体，以便在结构物产生振动时吸收能量。某些实施例中，阻尼液体为水。阻尼液体充满底管道11，进一步的，阻尼液体的液面低于发电管道13的顶端。
底管道11和发电管道的内壁分别布置有双晶悬臂振动组件，双晶悬臂振动组件包括多个双晶悬臂振动片14。双晶悬臂振动片14布置有压电材料，通过自身振动吸收能量，并通过压电材料将水流的能量转化为电能。某些实施例中，各双晶悬臂振动片14的尺寸、刚度、质量不完全相同，组成具有不同自振频率的发电单元。
底管道中各双晶悬臂振动片沿底管道11长度方向布置，构成线状栅栏阻尼结构，阻碍阻尼液体在底部的正常流动，增大阻尼。
某些实施例中，发电管道13内部的各双晶悬臂振动片14交错布置，形成弯折的水流路径，以起到发电管道13中连续多重阻碍水流并让更多的双晶悬臂振动片14产生振动的作用，尽可能提高阻尼效果与能量采集效率。进一步的，发电管道13中各双晶悬臂振动片14在发电管道13底部的投影部分有部分重叠，双晶悬臂振动片14在发电管道13内构成环状栅栏阻尼结构，极大的提高了阻尼效果。双晶悬臂振动片14的尺寸、质量、刚度以及排列位置等参数根据结构物的振动模态参数信息进行优化设计，尽量提高阻尼效果与能量采集效率。
某些实施例中，压电材料包括压电陶瓷和/或压电片。某些实施例中，压电材料涂有防水材料。
由于发电管道13底部具有透水孔15，阻尼液体可以在发电管道13、底管道11和侧管道12之间流动，在该装置未受到激励时，侧管道12与发电管道13中的液面高度将保持一致。当阻尼液体大幅振荡时，侧管道12与发电管道13之间所构成的环形腔中的阻尼液体在晃荡过程中形成高低水势，侧管道晃荡到高处的水部分落入发电管道13，带动双晶悬臂振动片14振动并将振动能转化为电能。
该装置固定于所要保护的结构物上，当结构物受到轻外激励时，该装置内的阻尼液体产生振动，振动幅度较小，阻尼液体吸收部分外激励能量，起到耗散能量的效果。对于侧管道12与发电管道13之间所构成的环形腔中的阻尼液体而言，液体的向上运动高度不足以漫过发电管道13的顶端，因此环形腔中的阻尼液体不会落入发电管道13。但是发电管道13内部的阻尼液体也会随着振动，并带动发电管道13内部的双晶悬臂振动片14振动，进而产生电能。同时，通过多组具有不同自振频率的双晶悬臂振动片14的组合排列，将有部分双晶悬臂振动片14与阻尼液体产生共振，从而提高能量采集效率。另外，对于底管道11中的阻尼液体而言，阻尼液体的流动也将带动固定在底管道11底部的双晶悬臂振动片14振动，产生电能。此时，虽然该装置未受到强外激励，但依然能保证将其所吸收的能量尽可能多地转化为电能，并加以储存利用。
当结构物受到强外激励时，该装置内部的阻尼液体将产生大幅振动，同时吸收部分外激励能量，起到了耗散能量的效果。对于侧管道12与发电管道13之间所构成的环形腔中的阻尼液体而言，由于侧管道12中的阻尼液体运动起伏大，打到侧管道12内壁高处的阻尼液体将大部分落入发电管道13中，而固定在发电管道13中构成环状栅栏阻尼结构的各双晶悬臂振动片14会阻碍阻尼液体的运动，极大地提高阻尼效果。同时，通过多组具有不同自振频率的双晶悬臂振动片14的组合排列，将有部分双晶悬臂振动片14与阻尼液体产生共振，进一步消耗能量。这种情况下，有多数的双晶悬臂振动片14的振动频率与振幅都比较大，通过压电效应转化产生的电能也就更多，因而发电效率得到提高。另外，底管道11中的阻尼液体的振动幅度也会加大，使底管道11中的双晶悬臂振动片14也产生振幅和频率更大的振动，同时使得更多的振动能转化为电能。此时，该装置既保证了高阻尼效果，又获得了更高的能量采集效率。
该装置在面对相对较常见的轻外激励时，能够在保证阻尼效果的同时收集环境能，提高了该装置的附加价值，遭受轻外激励时作为能量采集器而运转。面对强外激励时，底管道11的线状栅栏阻尼结构和发电管道13中的环状栅栏阻尼结构将更多地阻碍水流自然流动，吸收能量，同时将能量转化为双晶悬臂振动片14的振动能，提高了阻尼效果，保证了结构物在遭遇强自然灾害时的安全性与恶劣环境中的舒适性，并且由于双晶悬臂振动片14的振动幅度与频率加大，也将有更多的振动能转化为电能。
该装置将振动控制技术与能量采集技术相结合，既能够吸收结构物遭受外激励时产生的振动能，又能充分利用吸收的能量将其转化为电能进行储存利用，实现了环境能的回收利用。
该装置除了固定在底管道11底部的双晶悬臂振动片14构成线状栅栏阻尼结构，还引入了发电管道13及由固定在发电管道13内壁的由双晶悬臂振动片14构成的环状栅栏阻尼结构，增加阻尼；并且在遭遇强外激励时发电管道13中的环状栅栏阻尼结构能发挥更大作用。该装置发挥阻尼作用同时还作为能量采集器收集环境能。
以上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 (10)
1.一种调频液柱阻尼装置，其特征在于：包括底管道(11)和两个侧管道(12)，两个所述侧管道(12)分别与所述底管道(11)连通，两个所述侧管道(12)与所述底管道(11)构成用于盛装阻尼液体的U型结构，所述侧管道(12)中布置有发电管道(13)，所述底管道(11)和所述发电管道(13)的内壁分别布置有双晶悬臂振动组件，所述双晶悬臂振动组件包括多个双晶悬臂振动片(14)，所述底管道(11)中各所述双晶悬臂振动片(14)沿所述底管道(11)长度方向布置，所述双晶悬臂振动片(14)布置有压电材料，所述发电管道(13)的底部侧壁成型有多个透水孔(15)。
2.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述发电管道(13)与对应的所述侧管道(12)同轴布置。
3.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述压电材料包括压电陶瓷和/或压电片。
4.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述压电材料涂有防水材料。
5.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：两个所述侧管道(12)与所述底管道(11)构成的U型结构中装有阻尼液体。
6.根据权利要求5所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述阻尼液体的液面低于所述发电管道(13)的顶端。
7.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述透水孔(15)的数量为四个，其中相对的两个所述透水孔(15)的中心连线与所述底管道(11)的长度方向平行，另外两个所述透水孔(15)的中心连线与所述底管道(11)的长度方向垂直。
8.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述发电管道(13)内部的各所述双晶悬臂振动片(14)交错布置，形成弯折的水流路径。
9.根据权利要求8所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述发电管道(13)中各所述双晶悬臂振动片(14)在所述发电管道(13)底部的投影部分有部分重叠。
10.根据权利要求1所述的调频液柱阻尼装置，其特征在于：所述底管道(11)中的各所述双晶悬臂振动片(14)的尺寸、质量、刚度不完全相同，所述发电管道(13)中的各所述双晶悬臂振动片(14)的尺寸、质量、刚度不完全相同。
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