CN113513101B - 一种调谐吸振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调谐吸振装置，属于减震技术领域，包括至少一个吸振元以及用于连接至少一个吸振元的连接结构；吸振元包括两个相对设置的约束层以及夹设于两个约束层之间的被约束层，被约束层由阻尼材料制造；连接结构包括连接件、紧固件和垫片，垫片套设在连接件上，且每个吸振元的两侧均布置有垫片，紧固件固定在连接件上以在连接件固定在被控结构上进行使用时固定吸振元。本发明通过将吸振元远离被控结构，使被控结构上的振动在通过连接件传递到吸振元后，吸振元不但具有充足的变形空间，且其远离连接件的部分变形越大，从而高效的对高频振动进行吸振处理。

Description

一种调谐吸振装置

技术领域

本发明涉及减震技术领域，特别涉及一种调谐吸振装置。

背景技术

建筑结构楼板墙板等因为设备运行而产生1～100Hz的振动会产生振动舒适度问题，以及20～500Hz的振动会伴随固体噪声，这都影响人们的健康或者舒适度。通过调谐质量阻尼器(tune mass damper,简称TMD)调谐吸振，或者通过约束阻尼结构将振动吸收并减弱是目前主要的减振思路。

传统应用于建筑中的调谐质量阻尼器采用螺旋弹簧或者板弹簧作为弹性元件，采用高分子聚合物或者粘滞液体作为阻尼材料从而组成弹簧-质量-阻尼系统调谐控制结构的振动。例如公告号为CN211499274U的中国实用新型专利公开了一种便于安装的调谐质量阻尼器，其通过螺旋弹簧与粘滞阻尼器以及钢质量快构成TMD，但这种构造由于钢弹簧频率实现范围的局限，其难以实现数百赫兹的频段的吸收，且由于加工过程中的间隙导致其难以控制50～500Hz范围内的微小振动。

约束阻尼处理(constrained damping layer，简称CLD)是一种常见的提高阻尼的形式，其特征包括结构层、约束层以及被约束层以形成三明治结构，其中被约束层常用高阻尼材料制作而成。在结构层因为弯曲振动过程中，约束层与结构层板之间变形差会使得被约束层的高阻尼材料通过变形将应变能转化为热能。目前，约束阻尼结构常常被用于薄板的振动噪声控制，与TMD不同的是，由于约束阻尼结构能够伴随板的高频、高阶密集模态变形，因此其在较高频率(500Hz)与较宽频段下都具有较好的减振效果。例如公开号为CN105415770A的中国发明专利公开了一种约束阻尼降噪板及其制备方法，其用于降低车轮的振动，但是对于建筑结构构件而言，例如钢筋混凝土剪力墙的墙体厚重，其振动时的弯曲变形量小，因此作为被约束阻尼层的高阻尼材料(例如高阻尼橡胶等)在伴随结构层板振动过程中没有发生充分的变形，因此CLD在50～500Hz频段内的减振效率低。

总之，目前工程常用的调谐质量阻尼器(TMD)与约束阻尼处理(CLD)均不能很好地处理50～500Hz频段范围内较为密集模态的振动问题。

发明内容

针对现有技术存在的调谐质量阻尼器和约束阻尼处理均不能够很好地处理建筑结构高频振动的问题，本发明的目的在于提供一种调谐吸振装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种调谐吸振装置，包括至少一个吸振元以及用于连接至少一个所述吸振元的连接结构；所述吸振元包括两个相对设置的约束层以及夹设于两个所述约束层之间的被约束层，所述被约束层由阻尼材料制造；所述连接结构包括连接件、紧固件和垫片，所述垫片套设在所述连接件上，且每个所述吸振元的两侧均布置有所述垫片，所述紧固件固定在所述连接件上以在所述连接件固定在被控结构上进行使用时固定所述吸振元。

优选的，所述吸振元上开设有穿孔以使所述连接件穿过。

优选的，所述穿孔呈长条形，且所述穿孔内沿长度方向间隔地布置有多个所述连接件，所述垫片上相应的设置有多个与所述连接件相适配的通孔。

优选的，所述穿孔至少有一个，且当所述穿孔多于一个时，全部的所述穿孔互相平行且沿所述穿孔的宽度方向间隔布置。

优选的，所述穿孔分别开设在两个所述约束层的相对处，且夹设于两个所述约束层之间的所述被约束层至少有两个，每个所述穿孔的宽度方向的两侧均设置有所述被约束层。

优选的，所述被约束层的厚度与所述约束层的厚度的比值为10-100。

优选的，当所述吸振元多于一个时，设置每个所述吸振元中所述约束层的厚度与所述被约束层的厚度的比值不同，以使每个所述吸振元具有不同的吸振频率。

优选的，当所述吸振元多于一个时，设置每个所述吸振元中的所述约束层以及所述被约束层的材料不同。

优选的，当所述穿孔只有一个时，所述穿孔的边沿到所述吸振元的边缘的距离即跨度为30-300mm，或者，当所述穿孔多于一个时，相邻两个所述穿孔的边距及跨度为30-300mm；且所述吸振元的跨厚比为1.6-30。

进一步的，还包括配重板条，至少一个所述吸振元上固定安装有所述配重板条。

采用上述技术方案，由于垫片的存在，使得吸振元与被控结构之间具有一定的间隙，而当被控结构发生振动时，振动通过连接件能够高效地传递给吸振元，从而解决TMD中螺旋弹簧或者板簧传递高频振动效率低的问题，之后，吸振元接收振动能量后产生垂直墙面的变形，并且由于吸振元与被控结构之间具有一定间隙，使得吸振元具有充分的变形空间，另外，由于吸振元相对于连接件固定后，其中的至少一部分以悬臂、单跨或者多跨的形式存在，因此具有一定的动力放大作用从而产生更大的变形，充分地将被控结构上的小变形量经放大后转化为热能，其相对于CLD能够提高减震效率。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为沿图1中A-A线的剖视图；

图3为本发明实施例二的结构剖视图；

图4为本发明实施例三的结构示意图；

图5为沿图4中B-B线的剖视图；

图6为本发明实施例四的结构示意图；

图7为本发明实施例八的结构示意图；

图8为本发明实施例九的结构示意图。

图中:1-吸振元、11-约束层、12-被约束层、13-穿孔、2-连接结构、21-连接件、22-垫片、23-紧固件、3-被控结构、4-配重板条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，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。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种调谐吸振装置，如图1及图2所示，包括一个吸振元1以及用于连接该吸振元1的连接结构2。

其中，吸振元1包括两个相对设置的约束层11以及夹设于两个约束层11之间的被约束层12，被约束层12由阻尼材料制造，例如高阻尼聚氨酯或橡胶，而约束层11通常由刚性材料制造，例如钢材或者铝合金。并且约束层11与被约束层12之间紧密连接，例如通过粘胶粘接，从而避免两者之间发生滑移。

连接结构2包括连接件21、紧固件22和垫片23。其中，垫片23上具有通孔以便于套设在连接件21上，并且吸振元1的两侧均布置有垫片23；另外，紧固件22固定在连接件21上以便于在连接件21固定在被控结构3上进行使用时，能够通过紧固件22对垫片23的限制或者挤压作用将上述的吸振元1固定，例如配置紧固件22为旋拧在连接件21上的螺母或者是通过螺钉锁紧在连接件21上的活动套。

本实施例中，设置吸振元1上开设有穿孔13以使连接件21从中穿过。或者，在另一个实施例中，还可以将吸振元1的边缘部位夹持在两个垫片23之间，从而使吸振元1的位置被固定。

使用时，连接件21将吸振元1固定在被控结构3上，通常是使吸振元1的平面与被控结构3的表面平行，并且由于垫片23的存在，使得吸振元1与被控结构3之间具有一定的间隙。而当被控结构3发生振动时，振动通过连接件21能够高效地传递给吸振元1，从而解决TMD中螺旋弹簧或者板簧传递高频振动效率低的问题，之后，吸振元1接收振动能量后产生垂直墙面的变形，并且由于吸振元1与被控结构3之间具有一定间隙，使得吸振元1具有充分的变形空间，另外，由于吸振元1相对于连接件1固定后，其中的至少一部分通常是以悬臂、单跨或者多跨的形式存在的，因此具有一定的动力放大作用从而产生更大的变形，充分地将被控结构3上的小变形量经放大后转化为热能，其相对于CLD能够提高减震效率。

具体使用时，通过调整吸振元1的尺寸以及各层厚度之间的关系，使吸振元1的频率调整到与被控结构3振动频率相同的到激励频率后即可利用共振机制放大变形量。

实施例二

其与实施例一的区别在于：本实施例中，如图3所示，吸振元1设置有多个(两个及以上)，并且多个吸振元1层叠布置，每个吸振元1的两侧都配置有上述的垫片23，以便于相邻的两个吸振元1之间都具有间隙，从而提供充分的变形空间。

可以理解的是，多个吸振元1的设置，一方面能够提高吸振效率，使被控结构3上的振动能量能够被更多的吸振元1转换为热能，提高吸振效率；另一方面能够通过调整各个吸振元1的尺寸以及各层厚度之间的关系，使各个吸振元1具有不同的频率，从而使装置具有较大的吸振频段，适应于被控结构3上发生的各频率的振动的吸振，或者，还可以通过设置每个吸振元1中的约束层11以及被约束层12的材料不同来调整吸振元1的频率，在或者上述两种方式可同时使用。

实施例三

其与实施例一的区别在于：本实施例中，如图4及图5所示，穿孔13呈长条形，从而在穿孔13内沿其长度方向间隔地布置多个上述的连接件21，同时，垫片23配置成长条状结构且其上相应的设置有多个与连接件21相适配的通孔。并且，当吸振元1被配置为矩形时，该穿孔13的长度方向平行于吸振元1的侧边。

可以理解的是，穿孔13可以整体开设在吸振元1上，即吸振元1的三层结构上均相对地设置有该穿孔13。如此设置，一方面使得被控结构3上的振动能够更高效地传递给吸振元1，另一方面当吸振元1呈矩形时，长条形的穿孔13及其内层一列布置的多个连接件21的设置，使得吸振元1呈悬臂状固定，从而提高吸振元1的振动变形效果，提高吸振效果。

实施例四

其与实施例三的区别在于：本实施例中，为了便于制造，如图6所示，其为实施例三中沿图4中C向的示意图，是将穿孔13分别开设在两个约束层11的相对处，再将被约束层12分成相互独立的两块，两块被约束层12分别对称地布置在穿孔13宽度方向的两侧。

本实施例中，通过将吸振元1中的约束层11的厚度配置为1mm，将被约束层12的厚度设置为50mm，另外将吸振元1的边缘到连接件21(穿孔13的长边)的距离(即跨厚)配置为80mm，即吸振元1相对于连接件21形成悬臂部分的长度，此时，跨厚比为80:50，即1.6。如此可以实现吸振元同时具有大等效质量与大等效阻尼，且控制在频率50-500Hz范围内。

利用模态分析以及模态应变能法可以计算获得等效模型的等效质量与等效阻尼，取本实施例结构的前2阶模态进行等效，分别计算其两阶等效质量与等效阻尼见表1所示，可以发现其频率达到167Hz(处于50-500Hz范围内)且其等效模型的损耗因子0.38接近被约束层材料的损耗因子0.5，且一阶等效质量超过63％，即同时实现了大等效阻尼和大等效质量。

表1-等效参数

实施例五

其与实施例四的区别在于：本实施例中，将吸振元1中的约束层11的厚度配置为1mm，将被约束层12的厚度设置为10mm，另外将吸振元1的边缘到连接件21(穿孔13的长边)的距离(即跨度)配置为300mm，即吸振元1相对于连接件21形成悬臂部分的长度，此时跨厚比为300:10，即30。如此可以实现吸振元同时具有大等效质量与大等效阻尼，且控制在频率31-500Hz范围内。

利用模态分析以及模态应变能法可以计算获得等效模型的等效质量与等效阻尼，分别计算其频率与阻尼比如表所示，可以发现其频率达到32Hz(处于31-500Hz范围内)且其等效模型的损耗因子0.44接近被约束层材料的损耗因子0.5，且一阶等效质量超过63％，即同时实现了大等效阻尼和大等效质量。

表2-等效参数

实施例六

其与实施例四的区别在于：本实施例中，将吸振元1中的约束层11的厚度配置为1mm，将被约束层12的厚度设置为100mm，另外将吸振元1的边缘到连接件21(穿孔13的长边)的跨度距离(即跨度)配置为200mm，即吸振元1相对于连接件21形成悬臂部分的长度，此时，跨厚比为200:100，即2。如此也可以实现吸振元同时具有大等效质量与大等效阻尼，且控制在频率31-500Hz范围内。

利用模态分析以及模态应变能法可以计算获得等效模型的等效质量与等效阻尼，，分别计算其频率与阻尼比如表所示，可以发现其频率达到65Hz(处于31-500Hz范围内)且其等效模型的损耗因子0.45接近被约束层材料的损耗因子0.5，且一阶等效质量超过63％，即同时实现了大等效阻尼和大等效质量。

表3-等效参数

实施例七

其与实施例四的区别在于：由于被控结构3通常具有较大的尺寸面积，而实施例四中提供的装置由于吸振元1的尺寸限制，为了提高对被控结构3的吸振效率，本实施例中，将多个实施例四公开的装置以一定规律排列并布置在被控结构3的表面，例如矩阵排列。

实施例八

其与实施例四的区别在于：本实施例中，当穿孔13多于一个时，全部的穿孔13互相平行且，全部的穿孔13沿穿孔13的宽度方向间隔布置，同时，夹设于两个约束层11之间的被约束层12的数量也至少有两个(其数量比穿孔13多一个)，每个穿孔13的宽度方向的两侧均设置有被约束层12，如图7所示。

如此设置，使得吸振元1的整体尺寸可以做大，并通过多个穿孔13及其内布置的连接件21的控制作用，将较大尺寸的吸振元1分割成多个能够独立吸振的小单元，通过另一种方式实现实施例五的方案。

并且可以理解的是，如此设置，使得吸振元1的一部分依然相对于连接件21形成悬臂，而实施例四中吸振元1相对于连接件21形成悬臂部分的长度(即穿孔13的边沿到吸振元1的边沿的距离)，在本实施例中即为两个穿孔13的边距(相互靠近的边沿之间的距离)。

实施例九

其与上述任一实施例的区别在于：本实施例中，装置还包括配重板条4，配重板条4固定安装在吸振元1上，从而可以对吸振元1的频率进行调整。

对于吸振元1多于一个的实施例，通过在吸振元1上安装配重板条4能够使各个吸振元1具有相同的频率，从而提高对特定频率的吸振效果，或者还可以使各个吸振元1具有不同的频率，从而提高吸振的频率范围。

本实施例中，如图8所示，设置配重板条4有多个，多个配重板条4均匀地布置在吸振元1的表面，从而使吸振元1整体的质心保持原位。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种调谐吸振装置，其特征在于：包括至少一个吸振元以及用于连接至少一个所述吸振元的连接结构；所述吸振元包括两个相对设置的约束层以及夹设于两个所述约束层之间的被约束层，所述被约束层由阻尼材料制造；所述连接结构包括连接件、紧固件和垫片，所述垫片套设在所述连接件上，且每个所述吸振元的两侧均布置有所述垫片，所述紧固件固定在所述连接件上以在所述连接件固定在被控结构上进行使用时固定所述吸振元；所述吸振元上开设有穿孔以使所述连接件穿过；所述穿孔呈长条形，且所述穿孔内沿长度方向间隔地布置有多个所述连接件，所述垫片上相应的设置有多个与所述连接件相适配的通孔；所述穿孔至少有两个，全部的所述穿孔互相平行且沿所述穿孔的宽度方向间隔布置；所述吸振元相对于连接件固定后，其中的至少一部分以悬臂、单跨或者多跨的形式存在。

2.根据权利要求1所述的调谐吸振装置，其特征在于：所述穿孔分别开设在两个所述约束层的相对处，且夹设于两个所述约束层之间的所述被约束层至少有两个，每个所述穿孔的宽度方向的两侧均设置有所述被约束层。

3.根据权利要求1所述的调谐吸振装置，其特征在于：所述被约束层的厚度与所述约束层的厚度的比值为10-100。

4.根据权利要求3所述的调谐吸振装置，其特征在于：当所述吸振元多于一个时，设置每个所述吸振元中所述约束层的厚度与所述被约束层的厚度的比值不同，以使每个所述吸振元具有不同的吸振频率。

5.根据权利要求1所述的调谐吸振装置，其特征在于：当所述吸振元多于一个时，设置每个所述吸振元中的所述约束层以及所述被约束层的材料不同。

6.根据权利要求1所述的调谐吸振装置，其特征在于：所述穿孔的边沿到所述吸振元的边缘的距离即跨度为30-300mm，相邻两个所述穿孔的边距即跨度为30-300mm；且所述吸振元的跨厚比为1.6-30。

7.根据权利要求1-6任一项所述的调谐吸振装置，其特征在于：还包括配重板条，至少一个所述吸振元上固定安装有所述配重板条。

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