CN113373788A - 一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，包括如下步骤：S1、制作大跨度桥梁模型和新型非线性减振集电一体化装置模型；S2、建立桥梁模型减振装置振动数学模型；S3、进行振动测试实验；S4、实验结果总结并记录，本发明结构科学合理，使用安全方便，针对大跨度桥梁的振动特点，对桥梁实行非线性宽频域减振，减振的目的是为了消除环境对桥梁的破坏，减振桥梁的疲劳损伤，以及改善过往车辆和人员的舒适性，在减振运动的同时并利用电磁感应效应，对非线性减振集电一体化装置所收集的振动能源进行实时转化形成电能，利用此电能对桥梁关键结构处的安全监控设备进行供电，该振动能具有能量密度高、相对稳定、来源广泛且没有污染的特性。

Description

一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法
技术领域
本发明涉及大跨度桥梁和非线性减振集电方法技术领域，具体为一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法。
背景技术
随着时代的不断进步，社会经济的高速发展，大跨度斜拉桥梁作为一种新型的桥梁结构形式已经越来越多地被人们采用，虽然大跨度斜拉桥因其质量小而在材料用量方面具有明显的优势，但其自身也存在严重的弊端，即阻尼低、横向抗弯刚度小，外界激励源引发其发生共振的源频率范围很广，共振的可能性很高，因此大跨度桥梁的减振问题一直以来都是备受大家关注的一个热点问题；
从上述介绍可知，大跨度桥梁的环境振动问题是不可比避免的，环境振动在自然界中也是无处不在的，为了降低环境振动对人体、设备等产生的破坏性作用及所带来的环境污染，人们设计研究制作了各种减振装置，这些减振装置一般将振动能转换为声能、热能等能量形式耗散到大气环境中，因此振动的能源并没有得到有效利用，造成能量的浪费，另一方面还会产生对环境的声，热的二次污染，如若能对减振装置耗散的那部分振动能量加以捕集利用，不仅能够实现能量的二次利用，同时还可以减少对环境的污染，因此环境振动能量发电由于其优点已开始受到研究学者的广泛关注，电磁式振动能量收集器技术正在向高输出特性、低频、多频和宽频的综合方向发展，国内外在该方向上的研究方兴未艾，但还未开始真正的实用化。
发明内容
本发明提供一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，包括如下步骤：
S1、制作大跨度桥梁模型和新型非线性减振集电一体化装置模型；
S2、建立桥梁模型减振装置振动数学模型；
S3、进行振动测试实验；
S4、实验结果总结并记录。
根据上述技术方案，所述S1中以大跨度桥梁为研究原型，按照1：500比例缩小制作试验模型，确定模型参数以及风载，波浪力，水流的加载方法，设计开发新型的被动式非线性减振装置，并利用电磁感应定律在非线性减振集电一体化装置中加入集电功能设计，确定减振装置设计参数，其中包括非线性减振集电一体化装置优质量比确定，永磁体的设计与选择，线圈的设计与选择，将被动式减振装置安装在桥梁下方，实现减振动作，减振装置中质量块的两侧分别固定同极的磁铁，在永磁体外部缠绕线圈，当实行减振动作时，质量块带动永磁体在线圈中运动，进行切割磁感线运动，从而产生电动势，输出电能，实现减振的同时完成能量的转换。
根据上述技术方案，所述S2中以实验模型为基础，根据牛顿第二定律和电磁感应定律，建立桥梁非线性减振集电一体化装置系统的控制方程，并对该非线性方程组进行数值仿真计算，求解系统的振动响应和发电功率。
根据上述技术方案，所述S3中搭建桥梁模型在风和波浪载荷激励环境下的振动再现试验平台，桥梁模型安置于水槽中，水槽右方设置造浪板模拟波浪载荷，水槽外部前方设置风扇模拟风载荷，将减振装置安装于桥梁下方，进行实验，分别利用激光位移传感器对桥梁模型的振动信号进行时域信号采集，并由FFT分析仪将时域信号进行频域转换。以峰值加速度，峰值位移，均方根加速度和均方根位移的衰减率为主要评价标准，验证减振装置的可靠性和有效性，实验中，利用信号采集器收集减振装置转化的电能。
根据上述技术方案，所述S4中分别对不同载荷作用下的桥梁减振效果分析，其中包括不同幅值激励下系统的减振效果分析，不同激励频率下系统的减振效果分析，在桥梁进行减振的同时，对非线性减振集电一体化装置的集电电量进行测试标定，和利用减振过程中采集到的电能对桥梁的安全监视设备进行供电实验结果分析。
根据上述技术方案，所述S4中的磁力方程式为：
Figure RE-GDA0003172728670000021
其中Fm为磁力，B为推导数据；
其中B的公式如下：
Figure RE-GDA0003172728670000022
最终表达为：
Figure RE-GDA0003172728670000031
最终合力表达式为：
Figure RE-GDA0003172728670000032
其中l为长度，w为宽度，h为盖度，Br为磁性，d为永磁体之间的距离，u0为空间磁导率。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，针对大跨度桥梁的振动特点，对桥梁实行非线性宽频域减振，减振的目的是为了消除环境对桥梁的破坏，减振桥梁的疲劳损伤，以及改善过往车辆和人员的舒适性，在减振运动同时并利用电磁感应效应，对非线性减振集电一体化装置所收集的振动能源进行实时转化形成电能，利用此电能对桥梁关键结构处的安全监控设备进行供电，该振动能具有能量密度高、相对稳定、来源广泛且没有污染的特性，如果能将这些环境振动能收集并加以利用，由此，将环境振动能量捕集并转换为电能可满足经济性、安全性与环保性的三重需求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图中标号：1、非线性减振集电一体化装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1所示，本发明提供技术方案，一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，包括如下步骤：
S1、制作大跨度桥梁模型和新型非线性减振集电一体化装置模型；
S2、建立桥梁模型减振装置振动数学模型；
S3、进行振动测试实验；
S4、实验结果总结并记录。
根据上述技术方案，S1中以大跨度桥梁为研究原型，按照1：500比例缩小制作试验模型，确定模型参数以及风载，波浪力，水流的加载方法，设计开发新型的被动式非线性减振装置，并利用电磁感应定律在非线性减振集电一体化装置中加入集电功能设计，确定减振装置设计参数，其中包括非线性减振集电一体化装置优质质量比确定，永磁体的设计与选择，线圈的设计与选择，将被动式减振装置安装在桥梁下方，实现减振动作，减振装置中质量块的两侧分别固定同极的磁铁，在永磁体外部缠绕线圈，当实行减振动作时，质量块带动永磁体在线圈中运动，进行切割磁感线运动，从而产生电动势，输出电能，实现减振的同时完成能量的转换。
根据上述技术方案，S2中以实验模型为基础，根据牛顿第二定律和电磁感应定律，建立桥梁非线性减振集电一体化装置系统的控制方程，并对该非线性方程组进行数值仿真计算，求解系统的响应和发电功率。
根据上述技术方案，S3中搭建桥梁模型在风和波浪载荷激励环境下的振动再现试验平台，桥梁模型安置于水槽中，水槽右方设置造浪板模拟波浪载荷，水槽外部前方设置风扇模拟风载荷，将减振装置安装于桥梁下方，进行实验，分别利用激光位移传感器对桥梁模型的振动信号进行时域信号采集，并由FFT分析仪将时域信号进行频域转换。以峰值加速度，峰值位移，均方根加速度和均方根位移的衰减率为主要评价标准，验证减振装置的可靠性和有效性，实验中，利用信号采集器收集减振装置转化的电能。
根据上述技术方案，S4中分别对不同载荷作用下的桥梁减振效果分析，其中包括不同幅值激励下系统的减振效果分析，不同激励频率下系统的减振效果分析，在桥梁进行减振的同时，对非线性减振集电一体化装置的集电电量进行测试标定，和利用减振过程中采集到的电能对桥梁的安全监视设备进行供电实验结果分析。
根据上述技术方案，S4中的磁力方程式为：
Figure RE-GDA0003172728670000051
其中Fm为磁力，B为推导数据；
其中B的公式如下：
Figure RE-GDA0003172728670000052
最终表达为：
Figure RE-GDA0003172728670000053
最终合力表达式为：
Figure RE-GDA0003172728670000061
其中l为长度，w为宽度，h为高度，Br为磁性，u0为空间磁导率。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，针对大跨度桥梁的振动特点，对桥梁实行非线性宽频域减振，减振的目的是为了消除环境对桥梁的破坏，减振桥梁的疲劳损伤，以及改善过往车辆和人员的舒适性，在减振运动同时并利用电磁感应效应，对非线性减振集电一体化装置所收集的振动能源进行实时转化形成电能，利用此电能对桥梁关键结构处的安全监控设备进行供电，该振动能具有能量密度高、相对稳定、来源广泛且没有污染的特性，如果能将这些环境振动能收集并加以利用，由此，将环境振动能量捕集并转换为电能可满足经济性、安全性与环保性的三重需求。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、制作大跨度桥梁模型和新型非线性减振集电一体化装置模型；
S2、建立桥梁模型减振装置振动数学模型；
S3、进行振动测试实验；
S4、实验结果总结并记录。
2.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于，所述S1中以大跨度桥梁为研究原型，按照1：500比例缩小制作试验模型，确定模型参数以及风载，波浪力，水流的加载方法，设计开发新型的被动式非线性减振装置，并利用电磁感应定律在非线性减振集电一体化装置中加入集电功能设计，确定减振装置设计参数，其中包括非线性减振集电一体化装置优质质量比确定，永磁体的设计与选择，线圈的设计与选择，将被动式减振装置安装在桥梁下方，实现减振动作，减振装置中质量块的两侧分别固定同极的磁铁，在永磁体外部缠绕线圈，当实行减振动作时，质量块带动永磁体在线圈中运动，进行切割磁感线运动，从而产生电动势，输出电能，实现减振得同时完成能量的转换。
3.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于，所述S2中以实验模型为基础，根据牛顿第二定律和电磁感应定律，建立桥梁非线性减振集电一体化装置系统的控制方程，并对该非线性方程组进行数值仿真计算，求解系统的响应和发电功率。
4.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于，所述S3中搭建桥梁模型在风和波浪载荷激励环境下的振动再现试验平台，桥梁模型安置于水槽中，水槽右方设置造浪板模拟波浪载荷，水槽外部前方设置风扇模拟风载荷，将减振装置安装于桥梁下方，进行实验，分别利用激光位移传感器对桥梁模型的振动信号进行时域信号采集，并由FFT分析仪将时域信号进行频域转换，以峰值加速度，峰值位移，均方根加速度和均方根位移的衰减率为主要评价标准，验证减振装置的可靠性和有效性，实验中，利用信号采集器收集减振装置转化的电能。
5.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于，所述S4中分别对不同载荷作用下的桥梁减振效果分析，其中包括不同幅值激励下系统的减振效果分析，不同激励频率下系统的减振效果分析，在桥梁进行减振的同时，对非线性减振集电一体化装置的集电电量进行测试标定，和利用减振过程中采集到的电能对桥梁的安全监视设备进行供电实验结果分析。
6.根据权利要求1所述的一种大跨度桥梁和非线性减振集电一体化方法，其特征在于，所述S4中的磁力方程式为：
Figure RE-FDA0003172728660000021
其中Fm为磁力，B为推导数据；
其中B的公式如下：
Figure RE-FDA0003172728660000022
最终表达为：
Figure RE-FDA0003172728660000023
最终合力表达式为：
Figure RE-FDA0003172728660000024
其中l为长度，w为宽度，h为盖度，Br为磁性，u0为空间磁导率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114486137A (zh) * 2022-01-28 2022-05-13 同济大学 一种桥梁激振减振一体化装置
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