CN113280074B

CN113280074B - 具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法

Info

Publication number: CN113280074B
Application number: CN202110506852.8A
Authority: CN
Inventors: 万水; 申纪伟; 符俊冬; 王潇; 周鹏; 周林云; 李书利; 年玉泽
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: CN113280074A

Abstract

本发明提出了一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法，该装置包括支座导轨，支座导轨沿Y向延伸并滑动连接支座滑台；支座滑台上固定一支座；支座上设置弹性组件；第一直线导轨和第二直线导轨沿X向延伸，第一直线导轨上滑动连接至少一个短导轨；短导轨上滑动连接一短导轨滑台，短导轨滑台上固定一磁铁组件，磁铁组件包括一磁铁；第二直线导轨上滑动连接一滑台，滑台与弹性组件连接；滑台上固定一磁铁振子组件，磁铁振子组件包括一振子磁体；第二直线导轨内设置与滑台接触的摩擦层。本发明将弹簧的非线性恢复力与磁铁力相耦合，可实现单稳态、双稳态、三稳态及以上的多稳态情况，增加了吸振频带。

Description

具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法

技术领域

本发明属于减振耗能装置，特别是涉及一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法。

背景技术

非线性能量阱装置由于其具有靶能量传递的特性，在航空中将其用来作为一种吸振耗能的装置，由于这种装置具有减振频带宽、吸振耗能效率高以及质量小等优点，已经逐渐尝试在土木工程领域中应用。

现有的非线性能量阱装置(NES)，其主要结构是由弹簧、振子以及阻尼器构成。其中弹簧是由一对刚度和长度都相等的弹簧组成，阻尼器大多采用的是碰撞阻尼或者摩擦阻尼。非线性能量阱装置(NES)可通过设置弹簧的拉压情况可实现单稳态和双稳态，但三稳态及以上的多稳态相对较难实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置及多稳态磁耦合方法，该装置将弹簧的非线性恢复力与磁铁力相耦合，使得该装置可以实现单稳态、双稳态、三稳态及以上的多稳态情况，增加该装置的吸振频带。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括：

基底承台板；

支座导轨，沿Y向延伸并固定于所述基底承台板，所述支座导轨上滑动连接一支座滑台；所述支座滑台上固定一支座；所述支座上设置一弹性组件；

第一直线导轨，沿X向延伸并固定于所述基底承台板，所述第一直线导轨上滑动连接至少一个短导轨；每个所述短导轨均沿Y向延伸；每个所述短导轨上滑动连接一短导轨滑台，所述短导轨滑台上固定一磁铁组件，所述磁铁组件包括一磁铁；

第二直线导轨，沿X向延伸并固定于所述基底承台板，所述第二直线导轨设置于所述第一直线导轨和支座导轨之间；所述第二直线导轨上滑动连接一滑台，所述滑台与弹性组件连接；所述滑台上固定一磁铁振子组件，所述磁铁振子组件包括一振子磁体；所述第二直线导轨内设置与滑台接触的摩擦层。

优选地，所述磁铁组件还包括一固定于所述短导轨滑台上的磁铁块连接板，所述磁铁固定于所述磁铁块连接板；所述磁铁振子组件还包括一固定于滑台上的振子连接板，所述振子磁体固定于所述振子连接板。

优选地，所述弹性组件包括依次连接的前连接板、前导管、后导管和后连接板；所述前导管的外径大于所述后导管的外径；所述前连接板铰接于所述支座，所述后连接板铰接于所述振子连接板；所述前连接板和后连接板之间设置一弹簧，所述弹簧套设于所述前导管和后导管上。

优选地，所述支座滑台上安装一支座滑台锁紧螺栓，所述支座滑台上开设与所述支座滑台锁紧螺栓配合的螺纹孔。

优选地，所述滑台包括一滑台板和固定于所述滑台板底部的滑轮组轴承；所述滑轮组轴承与所述第二直线导轨配合；所述滑台板上安装一滑台调节螺栓；所述滑台调节螺栓与所述第二直线导轨接触。

优选地，所述短导轨上安装一长导轨锁紧螺栓，所述短导轨滑台上安装一短导轨锁紧螺栓；所述第二直线导轨上开设与长导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔、与短导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔。

优选地，所述底承台板、第一直线导轨、第二直线导轨、弹性组件、支座、支座导轨、支座滑台、短导轨、短导轨滑台均采用非磁性材料制作。

一种多稳态磁耦合方法，基于所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括以下步骤：

（1）布置磁铁振子组件：在第二直线导轨上布置滑台，在滑台上布置磁铁振子组件；

（2）调节弹性组件的恢复力：拉动支座滑台，支座滑台带动支座沿支座导轨滑动，以调节支座的位置，之后固定支座滑台；

（3）布置磁铁组件：在第一直线导轨上布置至少一短导轨，每个短导轨上均布置一短导轨滑台，短导轨滑台上固定一磁铁组件；其中，所有所述磁铁组件的布置方式相同；之后动作短导轨滑台和短导轨，调节磁铁组件和磁铁振子组件之间的磁力，以使得磁铁振子组件达到稳态，最后将所有短导轨固定；

（4）将基底承台板固定于主结构，在主结构振动过程中，弹性组件的长度不断发生变化，振子磁体沿第二直线导轨往返移动，在振子磁体往返移动的过程中，振子磁体可再次达到稳态，且滑台和第二直线导轨之间的摩擦力做功，以消耗主结构传递至振子磁体上的振动能量。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）通过在主结构上安装该装置，利用将弹簧的非线性恢复力和磁铁力相耦合，可以实现该装置与主结构产生内共振，使得该装置能够吸收主结构的振动响应能量。

（2）在第一直线导轨上设置不同个数的磁铁，可实现双稳态、三稳态、五稳态等多种稳态结构的非线性能量阱，增加宽频吸收能量的能力。

（3）弹簧非线性恢复力、磁铁和振子磁体之间的磁力大小可调节，从而调整弹簧拉压及弹簧力的大小、调节磁铁块位置，实现不同的弹簧恢复力与磁力耦合，使得该装置可以有包含主结构自振频率内的吸振带以及更优越的鲁棒性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的具有三稳态磁耦合非线性能量阱装置的立体图；

图2为双稳态磁耦合非线性能量阱装置的立体图；

图3为五稳态磁耦合非线性能量阱装置的立体图；

图4为图1中振子磁体、振子连接板和滑台之间的连接示意图；

图5为图1中磁铁、磁铁块连接板和短导轨之间的连接示意图；

图6为图1中弹性组件的结构图；

图7为图1中振子磁体稳态位置示意图；

图8为图2中振子磁体稳态位置示意图；

图9为图3中振子磁体稳态位置示意图；

图10为其他实施例中振子磁体稳态位置示意图。

其中，1-基底承台板，2-支座导轨，3-支座滑台，31-支座滑台锁紧螺栓，4-支座，5-弹性组件，51-弹簧，53-后导管，52-前导管，6-磁铁振子组件，61-振子磁体，62-振子连接板，7-滑台，71-滑台调节螺栓，72-滑台板，73-滑轮组，8-第二直线滑轨，9-摩擦层，10-磁铁组件，101-磁铁，102-磁铁块连接板，11-短导轨滑台，111-短导轨锁紧螺栓，12-短导轨，121-长导轨锁紧螺栓，13-第一直线导轨。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明的一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括：基底承台板、支座导轨、第一直线导轨、第二直线导轨、弹性组件、磁铁振子组件和磁铁组件。

支座导轨，沿Y向延伸并固定于基底承台板，支座导轨上滑动连接一支座滑台；支座滑台上固定一支座；支座上设置一弹性组件。

第一直线导轨，沿X向延伸并固定于基底承台板，第一直线导轨上滑动连接至少一个短导轨；每个短导轨均沿Y向延伸；每个短导轨上滑动连接一短导轨滑台，短导轨滑台上固定一磁铁组件，磁铁组件包括一磁铁。

第二直线导轨，沿X向延伸并固定于基底承台板，第二直线导轨设置于第一直线导轨和支座导轨之间；第二直线导轨上滑动连接一滑台，滑台与弹性组件连接；滑台上固定一磁铁振子组件，磁铁振子组件包括一振子磁体；第二直线导轨内设置与滑台接触的摩擦层。

进一步地，磁铁组件还包括一固定于短导轨滑台上的磁铁块连接板，磁铁固定于磁铁块连接板；磁铁振子组件还包括一固定于滑台上的振子连接板，振子磁体固定于振子连接板。

弹性组件包括依次连接的前连接板、前导管、后导管和后连接板；前导管的外径大于后导管的外径；前连接板铰接于支座，后连接板铰接于振子连接板；前连接板和后连接板之间设置一弹簧，弹簧套设于前导管和后导管上。

进一步地，支座滑台上安装一支座滑台锁紧螺栓，支座滑台上开设与支座滑台锁紧螺栓配合的螺纹孔。

滑台包括一滑台板和固定于滑台板底部的滑轮组轴承；滑轮组轴承与第二直线导轨配合；滑台板上安装一滑台调节螺栓；滑台调节螺栓与第二直线导轨接触。

短导轨上安装一长导轨锁紧螺栓，短导轨滑台上安装一短导轨锁紧螺栓；第二直线导轨上开设与长导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔、与短导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔。

优选地，基底承台板、第一直线导轨、第二直线导轨、弹性组件、支座、支座导轨、支座滑台、短导轨、短导轨滑台、磁铁块连接板、振子连接板均采用非磁性材料制作，如不锈钢、铝合金，避免对振子磁体和磁铁之间的磁力产生干扰。上述11个构件中，也可以仅部分构件由非磁性材料制成。

实施例1

如图1、4、5、6、7所示，一种三稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括基底承台板1、支座导轨2、第一直线导轨13、第二直线导轨8、弹性组件5、2个磁铁组件10和磁铁振子组件6。

具体的，在基底承台板1中间布置第二直线导轨8，在直线滑轨上布置带有滑轮组轴承的滑台7，滑台7上设置振子连接板62，振子连接板62通过螺栓与振子磁体61相连，并将弹性组件5中的后连接板与振子连接板62铰接，前连接板铰接于支座4；弹性组件5中的弹簧51两端分别与前连接板、后连接板固定连接，支座导轨2通过螺栓连接在基底承台板1上。调节支座4的位置，当振子磁体61在第二直线导轨8中间时，弹簧51处于原长（自由长度），此时弹簧51处于A处，锁紧支座滑台3的支座滑台锁紧螺栓31，此时弹簧51提供非线性恢复拉力。其中，弹性组件5中两导管（前导管52和后导管53）的作用是，防止弹簧51在拉伸压缩过程中发生弯曲影响弹簧51刚度。

第二直线导轨8的另一侧布置双向导轨，双向导轨由平行于振子磁体61运动方向的第一直线导轨13和两个置于第一直线导轨13的短导轨12组成，两个短导轨12均垂直于振子磁体61的运动方向；两短导轨滑台11上分别布置有磁铁101，磁铁101与短导轨滑台11通过磁铁块连接板102以螺栓的方式连接；磁铁101与振子磁体61上均设有螺栓孔和卡槽，对接振子磁体61与磁铁101时，设置振子磁体61与两个磁铁101相吸，两个磁铁101沿着第一直线轨道中心对称布置，位置确定后通过第一直线轨道上的长导轨锁紧螺栓121和短导轨12上的短导轨锁紧螺栓111将磁铁101位置锁定，最终形成一种具有三稳态磁耦合非线性能量阱装置，将此非线性能量阱装置与主结构相连，用于主结构的吸振、减振及耗能。优选地，进一步设置滑台调节螺栓71，滑台调节螺栓71与第二直线导轨8接触。转动滑台调节螺栓71，使得滑台调节螺栓71和第二直线导轨8之间的压力发生变化，从而可调节滑台7和第二直线导轨8之间的滚动摩擦力。

该三稳态磁耦合非线性能量阱装置的工作原理：

在本实施例中，振子磁体61质量为m ₁；弹簧51的自由长度为l ₀₁，刚度为K ₁，振子运动过程中弹簧51的长度为l（l≥l ₀₁）。由质量为m ₁ 、阻尼𝜂，非线性等效刚度弹簧K _eq构成三稳态，将该三稳态与线性振动主结构结合，即形成三稳态耦合振动系统。其中，磁铁101的受力平衡点决定了稳态数。

振子磁体61受到刚性水平光滑导轨（第二直线导轨8）约束做直线运动。2个磁铁101在振子磁体61运动的空间产生磁场，使得振子磁体61受到非线性磁场力的作用，在合适的磁铁101间距条件下，外加磁力使振子磁体61具有3个稳定的平衡位置。如图7所示，A为第一稳态位置，B为第二稳态位置，C为第三稳态位置。

将基底承台板1固定于主结构，在主结构振动过程中，弹簧51的长度不断发生变化，振子磁体61沿第二直线导轨8往返移动，在振子磁体61往返移动的过程中，滑台板72上的滑轮组轴承73和第二直线导轨8上的摩擦层之间的摩擦力做功，以消耗主结构传递至振子磁体61上的振动能量。其中，振子磁铁61的移动范围和主结构的振动情况有关，即振子磁铁61可以移动至超出区间BC，也可以在区间BC之间移动。“稳态位置”的含义是“受力平衡位置”。

在本实施例中，该摩擦层9可以为摩擦皮，作用是提供阻尼耗能。在本实施例以外的其他实施中，还可以在振子磁体61的运动方向设置阻尼器实现不同程度的能量耗散。

实施例2

如图2、4、5、6、8所示，一种双稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括基底承台板1、支座导轨2、第一直线导轨13、第二直线导轨8、弹性组件5、1个磁铁组件10和磁铁振子组件6。即该实施例在实施例1的基础上，减少一个磁铁组件10和一个短导轨12。

与实施例1不同的是，在第一直线导轨13上布置1个短导轨12，短导轨滑台11上布置有1个磁铁组件10，该磁铁组件10和磁铁振子组件6之间相斥。图8中A为第一稳态位置，B为第二稳态位置。振子磁体61沿第二直线导轨8往返移动，当振子磁体61在A位置时，弹簧51处于拉伸状态（提供拉力），即弹簧51提供的拉力、振子磁体61和磁铁之间的斥力相互平衡。振子磁铁61可以移动至超出区间AB，也可以在区间AB之间移动。

同样地，由质量为m ₁ 、阻尼𝜂，非线性等效刚度弹簧K _eq构成双稳态，将该双稳态与线性振动主结构结合，即形成双稳态耦合振动系统。

实施例3

如图3、4、5、6、9所示，一种五稳态磁耦合非线性能量阱装置，包括基底承台板1、支座导轨2、第一直线导轨13、第二直线导轨8、弹性组件5、1个磁铁组件10和磁铁振子组件6。即该实施例在实施例1的基础上，进一步增加一对短导轨12和一对磁铁组件10。

同样地，四个短导轨12均垂直于磁体振子的运动方向；各短导轨滑台11上分别布置有磁铁101（磁铁块），对接振子磁体61与磁铁101时，设置振子磁体61与四个磁铁101相吸，四个磁铁101沿着第一直线轨道中心对称布置。图9中A为第一稳态位置，B为第二稳态位置，C为第三稳态位置，D为第四稳态位置，E为第五稳态位置。振子磁体61沿第二直线导轨8往返移动，当振子磁铁61处于A位置时，弹簧51处于原长（自由长度）。振子磁铁61可以移动至超出区间BC，也可以在区间BC之间移动; 振子磁铁61可以移动至超出区间DE，也可以在区间DE之间移动。

同样地，由质量为m ₁ 、阻尼𝜂，非线性等效刚度弹簧K _eq构成五稳态，将该五稳态与线性振动主结构结合，即形成五稳态耦合振动系统。

在其他实施例中，磁铁组件关于磁铁振子组件的设置，可以为非对称设置，如图10所示，稳态位置包括4个。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，包括：

基底承台板；

2.根据权利要求1所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述磁铁组件还包括一固定于所述短导轨滑台上的磁铁块连接板，所述磁铁固定于所述磁铁块连接板；所述磁铁振子组件还包括一固定于滑台上的振子连接板，所述振子磁体固定于所述振子连接板。

3.根据权利要求2所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述弹性组件包括依次连接的前连接板、前导管、后导管和后连接板；所述前导管的外径大于所述后导管的外径；所述前连接板铰接于所述支座，所述后连接板铰接于所述振子连接板；所述前连接板和后连接板之间设置一弹簧，所述弹簧套设于所述前导管和后导管上。

4.根据权利要求1所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述支座滑台上安装一支座滑台锁紧螺栓，所述支座滑台上开设与所述支座滑台锁紧螺栓配合的螺纹孔。

5.根据权利要求1所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述滑台包括一滑台板和固定于所述滑台板底部的滑轮组轴承；所述滑轮组轴承与所述第二直线导轨配合；所述滑台板上安装一滑台调节螺栓；所述滑台调节螺栓与所述第二直线导轨接触。

6.根据权利要求1所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述短导轨上安装一长导轨锁紧螺栓，所述短导轨滑台上安装一短导轨锁紧螺栓；所述第二直线导轨上开设与长导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔、与短导轨锁紧螺栓配合的螺纹孔。

7.根据权利要求1~6之任一项所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，所述基底承台板、第一直线导轨、第二直线导轨、弹性组件、支座、支座导轨、支座滑台、短导轨、短导轨滑台均采用非磁性材料制作。

8.一种多稳态磁耦合方法，基于权利要求1~6之任一项所述的具有多稳态磁耦合非线性能量阱装置，其特征在于，包括以下步骤：

（4）将基底承台板固定于主结构，在主结构振动过程中，弹性组件的长度不断发生变化，振子磁体沿第二直线导轨往返移动，在振子磁体往返移动的过程中，振子磁体可再次达到稳态，且滑台和第二直线导轨之间的摩擦力做功以消耗主结构传递至振子磁体上的振动能量。