CN113982347A - 一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，包括：上部传力板、下部传力板、中间传力板和粘弹性耗能部件；中间传力板位于上部传力板和下部传力板之间；其中一粘弹性耗能部件设置于上部传力板和中间传力板之间，另一粘弹性耗能部件设置于下部传力板和中间传力板之间；粘弹性耗能部件包括一拓扑空间金属网格结构，拓扑空间金属网格结构内灌注粘弹性材料。本发明将金属网格结构的塑性变形吸能特性和粘弹性材料的高耗能特性结合起来；小振、弱风等激励下，粘弹性材料与金属网格结构同步变形耗散能量；大振、强风等激励下，金属网格结构发生弹塑性变形，金属网格结构与粘弹性材料共同耗散能量。由此，本发明耗能性强，稳定性好。

Description

一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器
技术领域
本发明属于工程结构防震减灾与振动控制技术领域，尤其涉及一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器。
背景技术
地震、风振等灾害对人民群众的生命和财产安全危害较大。在精密仪器设备、航空航天等领域，配件的微小振动也会导致仪器的精准度、灵敏度等产生较大的偏差。一些学者和工程师们采用振动控制技术来减轻地震、风振和部件振动等对生命、财产和高端仪器精密度的威胁。粘弹性阻尼减震技术是一种具有代表性的被动减振控制技术。多孔金属材料减振也是一种被动控制技术，多孔金属材料拓扑结构各异，吸能性好。被动控制技术因具有设备造型简单，花费较少，便于更换且无需添加外部能源等优势，因而得到了较为广泛的应用。
粘弹性材料储能模量和损耗因子较大，耗能特性较好，但环境温度、激励频率和变形幅值等都会影响阻尼器的耗能性能。在极端条件下粘弹性阻尼器的耗能性能受到限制：较高温度下粘弹性材料耗能指标下降明显，而在较大剪切变形、较高激励频率或较低温度时，则会出现阻尼器粘弹性耗能层与传力板间的开裂破坏，出现阻尼器刚度的突然降低。在重复荷载或强烈地震作用下，极易发生粘弹性阻尼器的失稳破坏，使结构处于危险之中。
因此，为了突破极端条件的限制，扩大粘弹性阻尼器的应用范围，有必要研制新型的粘弹性阻尼器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其耗能性强，稳定性好。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，包括：
上部传力板；
下部传力板；
中间传力板，位于所述上部传力板和下部传力板之间；
粘弹性耗能部件，其中一粘弹性耗能部件设置于上部传力板和中间传力板之间，另一粘弹性耗能部件设置于下部传力板和中间传力板之间；所述粘弹性耗能部件包括一拓扑空间金属网格结构，所述拓扑空间金属网格结构内灌注粘弹性材料。
优选地，上部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、下部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、上部传力板、中间传力板和下部传力板一体化成型。
优选地，所述粘弹性材料灌注于上部传力板和中间传力板之间、下部传力板和中间传力板之间。
优选地，所述拓扑空间金属网格结构由钢材、软钢或形状记忆合金制成。
优选地，所述拓扑空间金属网格结构，单胞空间构型选取蜂窝、正多面体或周期性三维曲面单元。
优选地，所述上部传力板、下部传力板、中间传力板均由钢材制成。
与现有技术相比，本发明的优点为：
（1）将金属网格结构的塑性变形吸能特性和粘弹性材料的高耗能特性结合起来；小振、弱风等激励下，粘弹性材料与金属网格结构同步变形耗散能量；大振、强风等激励下，金属网格结构发生弹塑性变形，金属网格结构与粘弹性材料共同耗散能量。
（2）金属网格结构与上部传力板、下部传力板和中间传力板在界面处均为整体性结构，不易发生界面开裂破坏，大大增强了粘弹性阻尼器的剪切变形能力，金属网格结构也可以对局部区域的粘弹性材料起到一定的保护作用。
（3）金属网格结构的适用温域较广，在较高温度下拓扑空间金属网格结构仍然可以正常工作，极大拓展了粘弹性阻尼器的温度使用范围。
（4）拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器耗能性、可靠性、安全性和经济性均得到了较大提升，在结构抗震、风振抑制和精密仪器振动控制等方面均具有较好的减振效果和良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器中，拓扑空间金属网格的立体图；
图2为图1中拓扑空间金属网格、上部传力板、下部传力板和中间传力板一体成型的立体图；
图3为图1中新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器的局部剖视图；
图4为本发明实施例二的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器中，拓扑空间金属网格的立体图；
图5为图2中拓扑空间金属网格、上部传力板、下部传力板和中间传力板一体成型的立体图；
图6为图2中新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器的局部剖视图。
其中，1-上部传力板，2-下部传力板、3-中间传力板，4-拓扑空间金属网格，5-粘弹性材料。
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。
实施例1
如图1~3所示，一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，包括：上部传力板、下部传力板、中间传力板及两个粘弹性耗能部件。
上部传力板、下部传力板、中间传力板均由普通钢材制成。其中，钢材的类别可根据建筑钢材规范和高分子材料手册选取。
中间传力板位于上部传力板和下部传力板之间。
其中一粘弹性耗能部件设置于上部传力板和中间传力板之间，另一粘弹性耗能部件设置于下部传力板和中间传力板之间。粘弹性耗能部件包括一拓扑空间金属网格结构和粘弹性材料；拓扑空间金属网格结构内灌注粘弹性材料，粘弹性材料的类别可根据建筑钢材规范和高分子材料手册选取。
上部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、下部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、上部传力板、中间传力板和下部传力板一体化成型。即两拓扑空间金属网格结构、三传力板（上部传力板和中间传力板、下部传力板）以上5个构件组成的整体，通过激光烧结等方法3D打印一体化成型。即上部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、上部传力板和中间传力板一体化成型；下部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、下部传力板和中间传力板一体化成型。
在本实施例中，上部传力板和中间传力板之间的粘弹性耗能部件定义为上部粘弹性耗能部件；中间传力板和下部传力板之间的粘弹性耗能部件定义为下部粘弹性耗能部件。
粘弹性材料灌注于上部传力板和中间传力板之间、下部传力板和中间传力板之间；之后通过高温高压硫化将其上部粘弹性材料、上部传力板、中间传力板和上部拓扑空间金属网格结构粘结成一整体；同时将下部粘弹性材料、下部传力板、中间传力板和下部拓扑空间金属网格结构粘结成一整体。
其中，拓扑空间金属网格结构由普通钢材、软钢或形状记忆合金(SMA)制成。形状记忆合金(SMA)包括镍铁合金、铜基合金和铁基合金等。在空间金属网格较为致密时，可选用软钢或形状记忆合金，保证金属网格结构的变形与耗能能力，特别是形状记忆合金具有大变形和超弹性特征；在空间金属网格较为稀疏时可以选用普通钢材，使金属网格结构的整体刚度优先得到保障。
拓扑空间金属网格结构，单胞空间构型选取蜂窝、正多面体或周期性三维曲面单元周期性三维曲面单元等多种拓扑结构类型。可以结合具体应用条件来确定阻尼器的出力和尺寸。在给定阻尼器的出力和尺寸时，依据不同的孔隙率、质量密度、刚度特性、耗能特性、单胞形状、单胞尺寸等对金属网格结构的空间拓扑构型进行优化设计。
在本实施例中，拓扑空间金属网格结构的单胞空间造型为4mm×4mm×4mm的正方体框架结构，每根框架杆的截面尺寸为0.25mm×0.25mm，框架体对角线垂直于传力板平面，在60mm×50mm×10mm的粘弹性耗能部件内沿长、宽、高方向拓展，形成拓扑空间金属网格结构。传力板的尺寸为 100mm×50mm×7mm。
实施例2
如图4~6所示，与实施例1不同的是，拓扑空间金属网格结构的单胞空间造型不同。拓扑空间金属网格结构的单胞为10mm×10mm×1.25mm的长方体框架结构，每根框架杆的截面尺寸为1.0mm×1.0mm，单胞框架杆与传力板长、短边平行，在60mm×50mm×10mm的粘弹性耗能部件内沿长、宽、高方向拓展，形成拓扑空间金属网格结构。传力板的尺寸为 100mm×50mm×7mm。
此外，扇形转角式剪切阻尼器、曲面单胞金属网格结构也在本发明的保护范围之内。
综上，本发明的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，具有以下优点：
（1）利用粘弹性材料的剪切变形和拓扑空间金属网格结构的弹塑性变形耗散振动能量，具有优良的耗能能力。具体的，将拓扑空间金属网格结构和粘弹性材料较好的结合起来，小振、弱风等激励下，粘弹性材料与金属网格结构同步变形耗散能量；大振、强风等激励下，金属网格结构发生弹塑性变形，金属网格结构与粘弹性材料共同耗散能量。
（2）金属网格结构与传力板在界面处为整体性结构，不易发生界面开裂破坏，大大增强了粘弹性阻尼器的剪切变形能力，金属网格结构也可以对局部区域的粘弹性材料起到一定的保护作用。
（3）金属网格结构的适用温域较广，在较高温度下拓扑空间金属网格结构仍然可以正常工作，极大拓展了粘弹性阻尼器的温度使用范围。
（4）该阻尼器的耗能性、可靠性、安全性和经济性均得到了较大提升，在地震、风振以及机械振动等作用下均具有优异的消能减振效果。
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 (6)

1.一种新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，包括：
上部传力板；
下部传力板；
中间传力板，位于所述上部传力板和下部传力板之间；
粘弹性耗能部件，其中一粘弹性耗能部件设置于上部传力板和中间传力板之间，另一粘弹性耗能部件设置于下部传力板和中间传力板之间；所述粘弹性耗能部件包括一拓扑空间金属网格结构，所述拓扑空间金属网格结构内灌注粘弹性材料。
2.根据权利要求1所述的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，上部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、下部传力板和中间传力板之间的拓扑空间金属网格结构、上部传力板、中间传力板和下部传力板一体化成型。
3.根据权利要求1所述的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，所述粘弹性材料灌注于上部传力板和中间传力板之间、下部传力板和中间传力板之间。
4.根据权利要求1所述的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，所述拓扑空间金属网格结构由钢材、软钢或形状记忆合金制成。
5.根据权利要求1所述的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，所述拓扑空间金属网格结构，单胞空间构型选取蜂窝、正多面体或周期性三维曲面单元。
6.根据权利要求1所述的新型拓扑空间金属网格增强粘弹性阻尼器，其特征在于，所述上部传力板、下部传力板、中间传力板均由钢材制成。
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