CN112942610A - 一种基于手性结构的复合阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于手性结构的复合阻尼器，包括固定筒体、固定竖板、移动端板、形状记忆合金丝束、变阶圆柱体、粘弹性材料层、固定圆环、韧条、SMA丝束夹具、耳板、螺旋弹簧。当结构物振动时，复合阻尼器两端受轴向反复荷载，移动端板和固定竖板发生相对位移，由韧条构成的四手征系统带动变阶圆柱体相对固定圆环发生平面旋转，使得粘弹性材料层产生往复剪切变形，进行能量耗散。同时，形状记忆合金丝束处于拉伸的状态，提供超弹性、高阻尼的特性。SMA丝束与粘弹性材料层共同进行耗能，提高复合阻尼器的阻尼性能；振动过后，由于SMA良好的自恢复功能，使得系统恢复原状，达到自复位功能。

Description

一种基于手性结构的复合阻尼器

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种基于手性结构的复合阻尼器。

背景技术

近年来，面对日益严重的能源短缺问题和气候变暖问题，风能作为一种清洁可再生的新能源，其重要性日益提高，也得到了大力的发展。而风力涡轮机塔筒作为风能发电的主要设施，不同于一般的高耸结构，除可能受强风、地震等外部荷载作用外，引起塔筒结构的振动最主要的原因在于风电机组运行时施加给塔筒结构的激励，这主要是由于叶片的重力和旋转方向的循环变化引起的一种方形模态振型。

目前，在工程应用中，多运用调谐质量阻尼器或调谐滚球阻尼器实现塔筒在外部激励下的结构减振效果，但针对由于风电机运行是叶片不平衡力引起的方形振动模态，尚无针对性的解决方案，但由于方形振动模态对整体结构振动模态贡献显著，因此这个问题不容忽视。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种能够提高方形振动模态阻尼比、耗能效率的基于手性结构的复合阻尼器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于手性结构的复合阻尼器，包括固定筒体、固定竖板和移动端板，所述的固定竖板垂直连接于所述固定筒体的内侧底面，所述的固定竖板的两侧对称设置变阶圆柱体，

所述变阶圆柱体的小直径段外侧面连接四条韧条，其中两条相邻韧条的端部连接所述移动端板，另两条韧条的端部连接所述固定筒体底面；

所述变阶圆柱体的大直径段外侧面设置粘弹性材料层，所述粘弹性材料层为圆环状柱体，所述粘弹性材料层外侧面连接固定圆环，所述固定圆环安装在所述固定竖板上。

进一步地，所述韧条相切于所述变阶圆柱体(5)的圆柱体表面，所述韧条等间距的设置在所述变阶圆柱体上。

进一步地，所述韧条与所述固定筒体的水平底面分别成45°、135°、-45°、-135°夹角。

进一步地，所述的韧条与变阶圆柱体材料一致，均为普通低碳钢。

进一步地，所述变阶圆柱体与所述固定圆环之间通过SMA丝束夹具间隔设置若干形状记忆合金丝束，沿所述变阶圆柱体的径向布置。

进一步地，所述的形状记忆合金丝束由若干根NiTi超弹性SMA丝组成。

进一步地，所述移动端板与所述固定筒体之间设置螺旋弹簧。

进一步地，所述的粘弹性材料层的材料为高阻尼橡胶或天然橡胶，通过硫化工艺连接于所述变阶圆柱体与固定圆环之间。

进一步地，所述的固定圆环通过焊接牢固连接于固定竖板。

进一步地，所述固定竖板与螺旋弹簧的数量由所需的支撑力及相关力学关系确定。

进一步地，所述的固定筒体底板翼缘部分预留螺栓孔，便于复合阻尼器安装连接。

为保证阻尼器结构紧凑，SMA丝束、变阶圆柱体、粘弹性材料层、固定圆环、韧条构成的复合阻尼器部分，在固定竖板的两侧对称布置；固定筒体内，固定竖板与螺旋弹簧的数量由所需的支撑力及相关力学关系确定。

SMA丝束沿变阶圆柱体的径向布置，保证变阶圆柱体与圆环状柱体发生相对转动时，SMA丝均处于拉伸的状态。

耳板通过螺栓连接于移动端板，固定筒体底板翼缘部分预留螺栓孔，便于复合阻尼器安装连接。

本发明的作用机理如下：将复合阻尼器安装于结构物能产生相对位移的部位上，当结构物振动时，复合阻尼器两端受轴向反复荷载，移动端板和固定竖板发生相对位移，从而由韧条构成的四手征系统带动变阶圆柱体相对固定圆环发生平面旋转，使得粘弹性材料层产生往复剪切变形，进行能量耗散。这种负泊松比的结构形式将提供耦合平面旋转和单轴载荷的非仿射变形，能够增强结构在方形振型下的能量耗散效率和阻尼性能。

同时，无论复合阻尼器处于拉伸状态还是压缩状态，只要变阶圆柱体与固定圆环存在相对转动，初始情况下沿变阶圆柱体径向布置的形状记忆合金丝束(SMA丝束)都将处于拉伸的状态。这能保证SMA丝始终处于有效状态，提供超弹性、高阻尼的特性。即SMA丝束与粘弹性材料层共同进行耗能，提高复合阻尼器的阻尼性能。振动后，由于SMA丝束良好的自恢复功能，将使阻尼系统恢复原状，达到自复位功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)粘弹性阻尼器作为一种速度相关型阻尼器，在低频和超高频荷载下能够发挥的作用很小；但SMA材料对频率并不敏感。因此，复合阻尼器将速度相关型阻尼器与SMA材料结合，能够有效扩大阻尼器的减振频域。

(2)在正常使用工况下，由利用韧条构成的四手征系统，将提供非仿射变形耦合平面旋转和单轴载荷，产生负泊松比行为，能够针对性地提高风力发电塔由于叶片的重力和旋转方向的循环变化引起的方形振动模态下的，复合阻尼器的能量耗散效率和阻尼性能。

(3)在强风、强震等外部激励作用下，手性结构具有更高抗冲击韧性，因此，首先能保证复合阻尼器的结构强度；同时，SMA材料内部晶体由奥氏体向马氏体转化进入伪弹性阶段，SMA材料也会起到能量耗散的作用，实现阻尼器的高耗能特性。

(4)振后由于SMA良好的自恢复能力，能有效减少强烈外部激励下结构的残余变形，使结构复位到初始位置或者弹性变形范围内，可有效减小构件破坏的可能性。

(5)复合阻尼器构造简单，组装方便，作用机理明确，可应用性强。

附图说明

图1为一种基于手性结构的复合阻尼器的主视图；

图2为一种基于手性结构的复合阻尼器的侧视图；

图3为一种基于手性结构的复合阻尼器的A-A剖面图；

图4为一种基于手性结构的复合阻尼器a处SMA丝束连接详图；

图中标号：1为固定筒体，2为固定竖板，3为移动端板，4为形状记忆合金丝束，5为变阶圆柱体，6为粘弹性材料层，7为固定圆环，8为韧条，9为SMA丝束夹具，10为耳板，11为螺旋弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1是一种可变阻尼的调谐粘滞阻尼器的实施例，包括固定筒体1、固定竖板2、移动端板3、形状记忆合金丝束4、变阶圆柱体5、粘弹性材料层6、固定圆环7、韧条8、SMA丝束夹具9、耳板10、螺旋弹簧11。

固定竖板2垂直连接于固定筒体1内侧底面，变阶圆柱体5小直径段外侧面分别与相切于圆柱体的四条韧条8相连接，大直径圆柱段外侧面与粘弹性材料层6的内侧面相连接。粘弹性材料层6为圆环状柱体，外侧面与固定圆环7内侧相连接。韧条8与固定筒体1底面成45°、135°、-45°、-135°夹角，第一端相切连接于变阶圆柱体5小直径段；45°、135°韧条8第二端连接于移动端板3，-45°、-135°韧条8第二端连接于固定筒体1内侧底面。形状记忆合金丝束4，由SMA丝束夹具9间隔地固定在变阶圆柱体5与固定圆环7之间。耳板10通过螺栓连接于移动端板3。

本实施例中，粘弹性材料层6的材料为高阻尼橡胶，其被约束在变阶圆柱体5与固定圆环7之间，当阻尼器两端承受轴向往复荷载时，粘弹性材料层6会在带动下进行往复剪切变形，起到主要的耗能减振作用。

本实施例中，如图1和图2所示，固定筒体1内，连接两个固定竖板2；SMA丝束4、变阶圆柱体5、粘弹性材料层6、固定圆环7、韧条8构成的复合阻尼器部分，在固定竖板2的两侧对称布置。

本实施例中，安装两个螺旋弹簧11在固定筒体1底板与移动盖板3之间，提供部分复合阻尼器所需的竖向刚度，并能起到耗能和提供自复位力的作用。

本实施例中，SMA丝束4由四根直径0.55mm的NiTi SMA丝构成。

本实施例中，如图4所示，SMA丝束4沿变阶圆柱体的径向布置，固定在固定圆环7和变阶圆柱5之间，保证变阶圆柱体5与固定圆环7体发生相对转动时，SMA丝束4均处于拉伸的状态，从而进行耗能并提供自恢复力。

本实施例中，移动端板3通过耳板10连接于结构物的第一端，固定筒体1底板通过翼缘部分预留的螺栓孔，用高强螺栓连接于结构物的第二端。

具体应用时，将复合阻尼器安装在结构物能产生相对位移的部位上，当结构物振动时，复合阻尼器两端受轴向反复荷载，移动端板3和固定竖板2发生相对位移，从而由韧条8构成的四手征系统带动变阶圆柱体5相对固定圆环7发生平面旋转，使得粘弹性材料层6产生往复剪切变形，进行能量耗散。这种负泊松比的结构形式将提供耦合平面旋转和单轴载荷的非仿射变形，能够增强结构在方形振型下的能量耗散效率和阻尼性能，即能针对性地增强风力发电塔由于叶片的重力和旋转方向的循环变化引起的方形振动模态下的，阻尼器的能量耗散效率和阻尼性能。同时，无论复合阻尼器处于拉伸状态还是压缩状态，只要变阶圆柱体5与固定圆环7存在相对转动，形状记忆合金丝束4都将处于拉伸的状态，这能保证SMA丝束始终能提供超弹性、高阻尼的特性。即，SMA丝束与粘弹性材料层共同进行耗能，提高复合阻尼器的阻尼性能。振动过后，由于SMA丝束良好的自恢复功能，将使系统恢复原状，从而达到自复位功能。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，包括固定筒体(1)、固定竖板(2)和移动端板(3)，所述的固定竖板(2)垂直连接于所述固定筒体(1)的内侧底面，所述的固定竖板(2)的两侧对称设置变阶圆柱体(5)，

所述变阶圆柱体(5)的小直径段外侧面连接四条韧条(8)，其中两条相邻韧条(8)的端部连接所述移动端板(3)，另两条韧条(8)的端部连接所述固定筒体(1)底面；

所述变阶圆柱体(5)的大直径段外侧面设置粘弹性材料层，所述粘弹性材料层(6)为圆环状柱体，所述粘弹性材料层(6)外侧面连接固定圆环(7)，所述固定圆环(7)安装在所述固定竖板(2)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述韧条(8)相切于所述变阶圆柱体(5)的圆柱体表面，所述韧条(8)等间距的设置在所述变阶圆柱体(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述韧条(8)与所述固定筒体(1)的水平底面分别成45°、135°、-45°、-135°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述的韧条(8)与变阶圆柱体(5)材料一致，均为普通低碳钢。

5.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述变阶圆柱体(5)与所述固定圆环(7)之间通过SMA丝束夹具(9)间隔设置若干形状记忆合金丝束(4)，沿所述变阶圆柱体(5)的径向布置。

6.根据权利要求5所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述的形状记忆合金丝束(4)由若干根NiTi超弹性SMA丝组成。

7.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述移动端板(3)上部通过螺栓连接耳板(10)。

8.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述移动端板(3)与所述固定筒体(1)之间设置螺旋弹簧(11)。

9.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述的粘弹性材料层(6)的材料为高阻尼橡胶或天然橡胶，通过硫化工艺连接于所述变阶圆柱体(5)与固定圆环(7)之间。

10.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的复合阻尼器，其特征在于，所述的固定圆环(7)通过焊接牢固连接于固定竖板(2)。

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