CN114635937A - 一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，包括：滑动设置在轨道上的颗粒阻尼单元，以及通过丝杠螺母组件设置在所述颗粒阻尼单元上端的可控惯性飞轮，所述可控惯性飞轮在所述颗粒阻尼单元的往复运动带动下进行转动，在振动的作用下可引起所述颗粒球接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动；所述可控惯性飞轮能够根据外界激励的频率变化而改变飞轮惯容系数，实时调整颗粒惯容系统的频率与主结构的第一、二、三阶等高阶频率保持一致；所述颗粒惯容系统顶部布置和层间分布布置，固定安装在所述待减振建筑结构的最大位移处或者振型幅值最大的楼层，可实现主体结构的多阶模态减振和半主动控制的目的。
Description
技术领域
本发明属于土木和机械结构振动控制领域，具体涉及一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统。
背景技术
颗粒阻尼器是由传统的冲击阻尼器发展演变而来的一种被动控制技术，这些年来其在土木、机械、航天等领域已经得到较为深入的研究和应用。颗粒阻尼器是通过在振动体中的有限封闭空间内亦或在振动体外的附加腔体内填充一定数量的颗粒，利用颗粒与颗粒之间和颗粒与腔体壁之间的摩擦和碰撞作用消耗系统的振动能量，从而为主体结构提供阻尼，削弱主体结构的响应。颗粒阻尼技术具有耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感、减振性能好等优点，尤其在长期的恶劣环境下仍可充分发挥作用。
然而，现阶段颗粒阻尼器也存在一些弊端和不足：(1)为了提高其减振性能以及鲁棒性，需要更大的附加质量，但是附加质量增加到一定的程度，控制效率会大大降低；(2)传统颗粒阻尼器内颗粒堆叠在一起，颗粒碰撞效率低；(3)其减振机理比较复杂，减振效果与多个参数都有相互影响。
因此，如何有效增强阻尼效果和提高减振性能，对于实际工程的减震控制具有重大的意义。
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基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，解决了颗粒阻尼器附加质量大、颗粒碰撞效率低等问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，包括：滑动设置在轨道上的颗粒阻尼单元，以及通过丝杠螺母组件设置在所述颗粒阻尼单元上端的可控惯性飞轮，所述可控惯性飞轮在所述颗粒阻尼单元的往复运动带动下进行转动。
进一步地，所述颗粒阻尼单元包括颗粒阻尼器箱体，所述颗粒阻尼器箱体内装填颗粒球，所述颗粒阻尼器箱体底部连接滑块支座，所述滑块支座滑动设置在待减震结构顶部的轨道上，所述颗粒阻尼单元两侧通过调谐弹簧连接。
进一步地，所述颗粒阻尼器箱体内设置质量块，所述质量块将所述颗粒阻尼器箱体分隔成多个独立腔室；所述的质量块两侧连接耗能伸缩筒和储气管道，所述储气管道内含有气体。
进一步地，所述耗能伸缩筒一端与所述质量块连接，另一端与所述颗粒阻尼器箱体连接，所述耗能伸缩筒能够随所述质量块的往复运动而进行伸缩；所述气体为惰性气体，包括氩、氮气、二氧化碳中任一种；
所述储气管道连接压力控制器，通过设定压强限值，控制储气管道内气体的进出。
进一步地，所述颗粒球的材料为陶瓷、钢材、混凝土、石材中的任意一种，直径为2mm-50mm，所述的颗粒球的体积占腔室体积的30％-60％。
进一步地，所述丝杠螺母组件包括丝杆以及套设在所述丝杆上的螺母，所述丝杠一端与支座轴承连接，另一端与所述可控惯性飞轮连接；所述颗粒阻尼单元与所述螺母固接。
进一步地，所述可控惯性飞轮包括主杆以及安装在所述主杆末端的飞轮。
进一步地，所述飞轮的内侧端面设置小滑轨，所述小滑轨上滑动设置滑块，所述滑块安装箱体，所述箱体内设置小颗粒，所述主杆在远离所述主杆一端的端部套设箍圈，所述箱体与所述箍圈之间设置撑杆，所述箍圈连接电机，并在所述电机的驱动下，驱动所述箱体沿着小滑轨进行往复运动，不断改变所述可控惯性飞轮的惯性矩和惯容系数。
进一步地，所述小滑轨呈十字型设置在所述飞轮上。
进一步地，所述颗粒阻尼单元沿顶部布置和层间分布布置，所述颗粒阻尼单元固定安装在所述待减振建筑结构的最大位移处或者振型幅值最大的楼层。
进一步地，在所述振动的作用下可引起所述颗粒球接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。
本发明的具体工作原理为，颗粒阻尼单元在风/地震作用下，颗粒球与颗粒球之间和颗粒球与腔体之间的摩擦和碰撞作用消耗能量；通过控制储气管道内的气体压强，使得质量块一直处于调谐的状态，此外在质量块惯性作用下会加剧颗粒球的碰撞；而由此引起颗粒阻尼单元中的颗粒阻尼器箱体往复运动，这与地面之间产生加速度差，使连接在两者之间的丝杠发生转动，带动可控惯性飞轮工作；可控惯性飞轮中的箱体可沿着小滑轨进行往复运动，从而不断改变可控惯性飞轮的惯性矩和惯容系数，由此根据外界激励的频率变化，改变飞轮的惯容系数，实时调整颗粒惯容系统的频率与主结构的第一、二、三阶等高阶频率保持一致，由此同时箱体内的小颗粒在飞轮的快速转动下，颗粒球碰撞耗能也将更加剧烈；最后通过分析主体结构的多阶模态，得到多阶振型的幅值，可将颗粒惯容系统安装于前多阶振型幅值最大的楼层处，实现主体结构的多阶模态减振和半主动控制的目的。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明可根据外界激励的频率变化，改变飞轮的惯容系数，实时调整颗粒惯容系统的频率与主结构的第一、二、三阶等高阶频率保持一致，实现半主动控制。
2)本发明提出的顶部布置和层间分布布置，既兼具了颗粒阻尼技术减振频带宽、鲁棒性好的优点，又可同时控制主体结构的多阶模态。
3)本发明将惯容系统与颗粒阻尼系统结合，实现了装置的轻量化设计。
4)本发明通过控制储气管道内的气体压强，使得质量块一直处于调谐的状态，在振动的作用下可加快颗粒球接触应力网络的解构、流变和重构，加剧能量耗散。
附图说明
图1为本发明一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统正立面图；
图2为本发明一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统俯视图；
图3为本发明可控惯性飞轮正立面图；
图4为本发明可控惯性飞轮正俯视图；
图5为本发明一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统分布布置示意图；
图中标号：1为颗粒阻尼器箱体，2为调谐弹簧，3为可控惯性飞轮，301为飞轮，302为箱体，303为撑杆，304为箍圈，305为电机，306为主杆，307为小颗粒，308为滑块，309为小滑轨，4为颗粒球，5为质量块，6为耗能伸缩筒，7为气体，8为滑块支座，9为丝杠，10为螺母，11为支座轴承，12为轨道，13为压力控制器，14为储气管道。
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。
一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其结构如图1和2所示，包括颗粒阻尼单元和可控惯性飞轮，可控惯性飞轮通过螺母10设置于颗粒阻尼单元的上部并让可控惯性飞轮在颗粒阻尼单元往复运动的带动下运行，颗粒阻尼单元两侧通过调谐弹簧2连接。
具体地，颗粒阻尼单元包括颗粒阻尼器箱体1，颗粒阻尼器箱体1内装填颗粒球2，颗粒阻尼器箱体1底部连接滑块支座8，待减震结构的顶部设置轨道12，滑块支座8滑动设置在轨道12上，使得颗粒阻尼器箱体1能够沿轨道12往复运动。
具体地，质量块5内置于颗粒阻尼器箱体1中，将颗粒阻尼器箱体1分隔成多个独立腔室；在风/地震作用时，质量块5会在颗粒阻尼器箱体1内快速进行往复运动，从而加剧颗粒球4之间的碰撞。
具体地，质量块5两侧连接有耗能伸缩筒6和储气管道14；两侧储气管道14内的压强相当于弹簧，起到调谐频率的作用；而耗能伸缩筒6不仅能保证腔体的密闭性，而且可以起到耗散系统能量的作用。
具体地，耗能伸缩筒6一端与质量块5连接，另一端与颗粒阻尼器箱体1连接，能够随质量块5的往复运动而进行伸缩；储气管道14内含有气体7；气体7为惰性气体氩、氮气、二氧化碳中任一种；压力控制器13通过设定压强限值，控制储气管道14内气体7的进出。
具体地，颗粒球4的材料为陶瓷、钢材、混凝土、石材中的任意一种，直径为2mm-50mm，颗粒球4的体积占腔室体积的30％-60％。
具体地，丝杠9一端与支座轴承11连接，另一端与可控惯性飞轮3连接。
具体地，可控惯性飞轮3包括飞轮301、箱体302、撑杆303、箍圈304、电机305、主杆306、小颗粒307、滑块308、小滑轨309，其结构如图3和4所示。
具体地，箱体302内置有小颗粒307；电机305可控制箍圈304沿主杆306上下移动；撑杆303一端与箍圈304连接，另一端与箱体302连接；滑块308上方固定有箱体302，并能够一起沿着小滑轨309进行往复运动。
具体地，可控惯性飞轮3中的箱体302可沿着小滑轨309进行往复运动，从而不断改变可控惯性飞轮3的惯性矩和惯容系数，由此根据外界激励的频率变化，改变飞轮的惯容系数，实时调整颗粒惯容系统的频率与主结构的第一、二、三阶等高阶频率保持一致。
其中，ωc为腔体圆频率，kc为颗粒惯容系统的刚度，mc为颗粒阻尼器箱体的质量，mp为颗粒球的质量，min为惯容系数。
其中，I为飞轮的惯性矩，r为飞轮的半径。
具体地，在振动的作用下可引起颗粒球2接触应力网络的解构、流变和重构，以耗散能量衰减振动。
具体地，颗粒惯容系统顶部布置和层间分布布置，固定安装在待减振建筑结构的最大位移处或者振型幅值最大的楼层，从而能够控制主体结构的多阶模态，如图5所示。
本发明的具体工作原理为，颗粒阻尼单元在风/地震作用下，颗粒球4与颗粒球4之间和颗粒球4与腔体之间的摩擦和碰撞作用消耗能量；通过控制储气管道14内的气体7压强，使得质量块5一直处于调谐共振的状态，此外在质量块5惯性作用下会加剧颗粒球4的碰撞；而由此引起颗粒阻尼单元中的颗粒阻尼器箱体1往复运动，这与地面之间产生加速度差，使连接在两者之间的丝杠9发生转动，带动可控惯性飞轮3工作；可控惯性飞轮3中的箱体302可沿着小滑轨309进行往复运动，从而不断改变可控惯性飞轮3的惯性矩和惯容系数，由此根据外界激励的频率变化，改变飞轮的惯容系数，实时调整颗粒惯容系统的频率与主结构的第一、二、三阶等高阶频率保持一致，由此同时箱体内的小颗粒307在飞轮301的快速转动下，颗粒球4碰撞耗能也将更加剧烈；最后通过分析主体结构的多阶模态，得到多阶振型的幅值，可将颗粒惯容系统安装于前多阶振型幅值最大的楼层处，实现主体结构的多阶模态减振和半主动控制的目的。
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)
1.一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，包括：滑动设置在轨道(12)上的颗粒阻尼单元，以及通过丝杠螺母组件设置在所述颗粒阻尼单元上端的可控惯性飞轮(3)，所述可控惯性飞轮(3)在所述颗粒阻尼单元的往复运动带动下进行转动。
2.根据权利要求1所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述颗粒阻尼单元包括颗粒阻尼器箱体(1)，所述颗粒阻尼器箱体(1)内装填颗粒球(2)，所述颗粒阻尼器箱体(1)底部连接滑块支座(8)，所述滑块支座(8)滑动设置在待减震结构顶部的轨道(12)上，所述颗粒阻尼单元两侧通过调谐弹簧连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述颗粒阻尼器箱体(1)内设置质量块(5)，所述质量块(5)将所述颗粒阻尼器箱体(1)分隔成多个独立腔室；所述的质量块(5)两侧连接耗能伸缩筒(6)和储气管道(14)，所述储气管道(14)内含有气体(7)。
4.根据权利要求3所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述耗能伸缩筒(6)一端与所述质量块(5)连接，另一端与所述颗粒阻尼器箱体(1)连接，所述耗能伸缩筒(6)能够随所述质量块(5)的往复运动而进行伸缩；所述气体(7)为惰性气体，包括氩、氮气、二氧化碳中任一种；
所述储气管道(14)连接压力控制器(13)，通过设定压强限值，控制储气管道(14)内气体(7)的进出。
5.根据权利要求2所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述颗粒球(4)的材料为陶瓷、钢材、混凝土、石材中的任意一种，直径为2mm-50mm，所述的颗粒球(4)的体积占腔室体积的30％-60％。
6.根据权利要求1所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述丝杠螺母组件包括丝杆以及套设在所述丝杆上的螺母，所述丝杠(9)一端与支座轴承连接，另一端与所述可控惯性飞轮(3)连接；所述颗粒阻尼单元与所述螺母固接。
7.根据权利要求1所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述可控惯性飞轮(3)包括主杆(306)以及安装在所述主杆(306)末端的飞轮(301)。
8.根据权利要求7所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述飞轮(301)的内侧端面设置小滑轨(309)，所述小滑轨(309)上滑动设置滑块(308)，所述滑块(308)安装箱体(302)，所述箱体(302)内设置小颗粒(307)，所述主杆(306)在远离所述主杆(306)一端的端部套设箍圈(304)，所述箱体(302)与所述箍圈(304)之间设置撑杆(303)，所述箍圈(304)连接电机(305)，并在所述电机(305)的驱动下，驱动所述箱体(302)沿着小滑轨(309)进行往复运动，不断改变所述可控惯性飞轮(3)的惯性矩和惯容系数。
9.根据权利要求8所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述小滑轨(309)呈十字型设置在所述飞轮(301)上。
10.根据权利要求1所述的一种基于亚流态接触应力网络的颗粒惯容系统，其特征在于，所述颗粒阻尼单元沿顶部布置和层间分布布置，所述颗粒阻尼单元固定安装在待减振建筑结构的最大位移处或者振型幅值最大的楼层。
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