CN114658127A - 基于永磁体斥力和u型金属板的自复位阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，属于结构振动与控制技术领域。包括内传动轴、内挡块、永磁体a、永磁体b、传动外管、永磁体c、固定螺栓、内连接板、U型金属板、外挡块和外传动轴。本发明在地震过程中利用U型金属板阻尼器耗散能量，利用永磁体之间的斥力提供恢复力，且工作过程中无损伤；磁体之间的斥力随着轴向间距变小呈指数型增加，阻尼器随着轴向位移实现变刚度的效果，大震时阻尼器刚度指数型增加从而可控制结构发生大变形；利用多组永磁体同极串联，构成多个复位组，为阻尼器提供足够的可变形能力和足够的恢复力。塑性变形集中在U型金属板上，方便维修更换，永磁体性能稳定且耐久性好，有较好的应用前景。

Description

基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，特别是一种基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，属于结构振动与控制技术领域。

背景技术

结构在经历大震时往往发生较大的塑性变形消耗能量，传统的阻尼器，例如防屈曲支撑、金属塑性阻尼器等都无法减小结构的塑性变形带来的残余应变，导致震后结构需要维修或者拆除，因此，一种新的功能可恢复性结构体系被提出。功能可恢复性结构体系是指震后稍加修复或者无需修复就能够正常使用的结构，要求结构在经历大震之后仍然保持较小的残余应变，减小维修或重建成本，使社会生产尽快恢复，自复位结构是功能可恢复性结构体系的重要形式之一。自复位阻尼器不仅可以辅助设计自复位结构，还能够对现有结构进行加固，提高结构性能，减小结构震后残余应变。

现有的多数自复位阻尼器多采用预应力碟簧、形状记忆合金等复位组与其他耗能组并联或者串联，这些阻尼器的复位组材料存在一些缺点，例如，如果要提供较大的恢复力，则复位系统需要的预应力较大，导致自复位阻尼器的起滑力大；阻尼器使用的复位系统材料变形能力有限，往往需要较大空间放置预应变材料；复位组材料屈服后性能退化严重，不能有效的控制结构在大震中的变形。因此，有必要寻找其他功能材料为自复位阻尼器提供恢复力。

钕铁硼永磁体是一种性价比很高的功能材料，其性能稳定，磁能积高，工作温度区间大，当两个同极永磁体相互靠近时，能够产生非常可观的斥力，可作为自复位阻尼器的恢复力，永磁体的这种斥力有别于碟簧、形状记忆合金等常用的材料，它通过磁场传递，是一种非接触式力传递，无需受限于常规材料的性能，永磁体斥力随着间距的变小呈现指数增加，因此，在大震时永磁体自复位阻尼器能够增加结构刚度，有效减小结构塑性变形。

综上所述，永磁体斥力特性相对于常规材料性能优越突出，是复位组材料的理想选择。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，用以解决现有的自复位阻尼器起滑力大、对结构大变形的控制能力差、复位系统材料变形能力有限等问题。

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，所述自复位阻尼器包括内传动轴、内挡块、传动外管以及外挡块；所述内传动轴与内挡块焊接，构成自复位阻尼器的内部传动模块；所述外挡块与传动外管焊接，构成自复位阻尼器的外部传动模块；内部传动模块伸入所述外部传动模块内，二者相对运动；

所述自复位阻尼器还包括永磁体a、永磁体b、永磁体c；所述永磁体a、永磁体b、永磁体c依次同极滑动串联在所述内传动轴上，可与传动外管、内传动轴发生相对滑动，且永磁体a、永磁体b、永磁体c两两之间磁极相对设置，通过永磁体同极相斥的原理为自复位阻尼器提供恢复力；所述永磁体a外侧设置有一内挡块和一外挡块；所述永磁体c外侧设置有另一外挡块；所述永磁体a、永磁体b、永磁体c、内挡块以及两个外挡块共同构成一个复位组；

所述内传动轴上串联设置有两个相对设置的所述复位组，两个复位组之间设置有内连接板以及U型金属板；所述内连接板焊接在内传动轴上，其两端与复位组接触，可带动复位组内的永磁体运动；所述U型金属板的两端分别通过固定螺栓连接在内连接板以及传动外管上；所述U型金属板对口布置组成一个耗能组，且内传动轴四周共均匀布置有多个相同的耗能组。

进一步地，所述内连接板为立方体筒状结构，其两端分别与两个复位组内的永磁体c接触，可与所述外挡块相对运动；所述内传动轴四周共均匀布置有4个相同的耗能组。

进一步地，所述永磁体a、永磁体b和永磁体c均是矩形空心钕铁硼永磁体。

进一步地，所述永磁体b的左端磁极与相邻永磁体a的右端磁极相同，永磁体b的右端磁极与相邻永磁体c的左端磁极相同。

进一步地，所述U型金属板的两端分别通过两个固定螺栓连接在内连接板以及传动外管上。

进一步地，所述U型金属板由低屈服点的Q235B钢材或者形状记忆合金制成。

进一步地，所述U型金属板的圆弧段为半圆形，其圆弧半径和宽度根据设计需求计算。

进一步地，所述传动外管的内壁和所述内传动轴的外表面均涂抹有润滑油，以减少摩擦阻力。

进一步地，所述自复位阻尼器还包括右传动轴，所述右传动轴与传动外管右侧固定连接；所述内传动轴和右传动轴外侧均与建筑结构相连接。

进一步地，所述永磁体a、永磁体b和永磁体c之间的间距由复位组预应力设计需求计算，复位组串联的永磁体个数由自复位阻尼器变形能力需求计算。

本发明的工作原理是：

自复位阻尼器整体由永磁体复位组与U型金属板耗能组并联组成。使用永磁体斥力提供恢复力，在同一个复位组内串联设置多个永磁体，增加复位位移，并联设置多个复位组，其力叠加为阻尼器提供足够的复位力，使用U型金属板耗能，立体布置多个U型金属板保证阻尼器的耗能能力。当内传动轴与外传动轴发生相对运动时，推动自复位阻尼器中的复位组变形，当阻尼器受压变形时，复位组的永磁体被压缩，由于复位组左侧的永磁体位移被限制，复位组产生向左的复位力，永磁体的斥力随着间距的变小呈指数增加，因此，复位组的刚度也随着轴向位移的变化呈指数增加，达到变刚度的效果，复位组受压变形的同时，U型金属板也发生变形，有效消耗传入结构的能量，同理，当阻尼器受拉变形时，自复位阻尼器发生相同的行为。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，采用永磁体斥力提供恢复力，恢复力通过非接触式传递，不受限于传统连续介质材料的应变能力，为强震储备更多的耗能和复位能力。

2)本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，采用永磁体斥力提供恢复力，其斥力随着永磁体间距的变小指数增加，达到阻尼器刚度随着轴向位移变化呈指数增加的变刚度效果，在大震时能够明显增加结构刚度，有效减小结构塑性变形。

3)本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，使用永磁体同极串联组成复位组为装置提供有足够的恢复位移，多个复位组并联，为装置提供足够的恢复力。

4)本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，使用立体布置形式的U型金属板作为耗能系统，震后损伤主要集中在U型金属板上，容易维修和更换。

附图说明

图1为本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器的结构示意图。

图2为本发明的图1中的A-A剖面图。

图3为本发明的图1中的B-B剖面图。

图4为本发明的图1中的C-C剖面图。

图5为本发明的图1中的D-D剖面图。

图6为本发明的图1中的E-E剖面图。

具体实施方式

为了使本发明的工作原理更加清晰明了，结合图片来描述本发明，但是本发明并不限于这一种实施例。

如图1-图6所述，本发明的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，自复位阻尼器包括内传动轴1、内挡块2、传动外管5以及外挡块10。内传动轴1与内挡块2焊接，构成自复位阻尼器的内部传动模块。外挡块10与传动外管5焊接，构成自复位阻尼器的外部传动模块。内部传动模块伸入外部传动模块内，二者相对运动。如图1所示，自复位阻尼器还包括右传动轴10，右传动轴10与传动外管4右侧固定连接。内传动轴1和右传动轴10外侧均与建筑结构相连接。

如图1所示，自复位阻尼器还包括永磁体a3、永磁体b4、永磁体c6，永磁体a3、永磁体b4和永磁体c6均是矩形空心钕铁硼永磁体。永磁体a3、永磁体b4、永磁体c6依次同极滑动串联在内传动轴1上，可与传动外管5、内传动轴1发生相对滑动，且永磁体a3、永磁体b4、永磁体c6两两之间磁极相对设置，即：永磁体b4的左端磁极与相邻永磁体a3的右端磁极相同，永磁体b4的右端磁极与相邻永磁体c6的左端磁极相同。通过永磁体同极相斥的原理为自复位阻尼器提供恢复力。永磁体a3外侧设置有一内挡块2和一外挡块10。永磁体c6外侧设置有另一外挡块10。永磁体a3、永磁体b4、永磁体c6、内挡块2以及两个外挡块10共同构成一个复位组。本实施例中，内传动轴1上串联设置有两个相对设置的复位组，两个复位组之间设置有内连接板8以及U型金属板9。内连接板8焊接在内传动轴1上，其两端与复位组接触，可带动复位组内的永磁体运动。U型金属板9由低屈服点的Q235B钢材制成，其两端分别通过两个固定螺栓7连接在内连接板8以及传动外管5上。U型金属板9对口布置组成一个耗能组，且内传动轴1四周共均匀布置有多个相同的耗能组。

如图3-6所示，内连接板8为立方体筒状结构，其两端分别与两个复位组内的永磁体c6接触，可与外挡块10相对运动。内传动轴1四周共均匀布置有4个相同的耗能组。

本实施例中，传动外管4的内壁和内传动轴1的外表面均涂抹有润滑油，以减少摩擦阻力。永磁体a3、永磁体b4和永磁体c6之间的间距由复位组预应力设计需求计算，复位组串联的永磁体个数由自复位阻尼器变形能力需求计算，本实施例选取为3个。此外，U型金属板9的圆弧段为半圆形，其圆弧半径和宽度根据设计需求具体计算。

当结构发生振动时，内传动轴1与外传动轴10发生相对运动，推动自复位阻尼器中的复位组，当外传动轴10相对于内传动轴1发生向左的运动时，复位组的永磁体被压缩，由于复位组左侧的永磁体被限值位移，其产生的复位力向左，同时，耗能组也发生变形耗散能量，同理，当外传动轴10相对于左传动轴发生向右的运动时，自复位阻尼器也会产生相同的功能。本发明的自复位阻尼器利用永磁体之间的斥力特提供恢复力，永磁体之间的斥力随着间距的缩小呈指数型增加，实现阻尼器的刚度随着轴向位移指数型增加的变刚度阻尼器，这意味着，本发明的自复位阻尼器起滑力小，对结构小变形的控制能力好，在结构大变形时，能够明显增加结构刚度，对大变形控制效果突出。利用永磁体同极串联，构成一个复位组，装置设置两个复位组，为结构提供足够的恢复位移和恢复力。将复位组与耗能组分开设置，塑性变形集中在U型金属板上，方便维修和更换。永磁体在使用过程中无损伤，阻尼器性能稳定、耐久性好。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，所述自复位阻尼器包括内传动轴(1)、内挡块(2)、传动外管(5)以及外挡块(10)；所述内传动轴(1)与内挡块(2)焊接，构成自复位阻尼器的内部传动模块；所述外挡块(10)与传动外管(5)焊接，构成自复位阻尼器的外部传动模块；内部传动模块伸入所述外部传动模块内，二者相对运动；其特征在于：

所述自复位阻尼器还包括永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(6)；所述永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(6)依次同极滑动串联在所述内传动轴(1)上，可与传动外管(5)、内传动轴(1)发生相对滑动，且永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(6)两两之间磁极相对设置，通过永磁体同极相斥的原理为自复位阻尼器提供恢复力；所述永磁体a(3)外侧设置有一内挡块(2)和一外挡块(10)；所述永磁体c(6)外侧设置有另一外挡块(10)；所述永磁体a(3)、永磁体b(4)、永磁体c(6)、内挡块(2)以及两个外挡块(10)共同构成一个复位组；

所述内传动轴(1)上串联设置有两个相对设置的所述复位组，两个复位组之间设置有内连接板(8)以及U型金属板(9)；所述内连接板(8)焊接在内传动轴(1)上，其两端与复位组接触，可带动复位组内的永磁体运动；所述U型金属板(9)的两端分别通过固定螺栓(7)连接在内连接板(8)以及传动外管(5)上；所述U型金属板(9)对口布置组成一个耗能组，且内传动轴(1)四周共均匀布置有多个相同的耗能组。

2.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述内连接板(8)为立方体筒状结构，其两端分别与两个复位组内的永磁体c(6)接触，可与所述外挡块(10)相对运动；所述内传动轴(1)四周共均匀布置有4个相同的耗能组。

3.根据权利要求2所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述永磁体a(3)、永磁体b(4)和永磁体c(6)均是矩形空心钕铁硼永磁体。

4.根据权利要求3所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述永磁体b(4)的左端磁极与相邻永磁体a(3)的右端磁极相同，永磁体b(4)的右端磁极与相邻永磁体c(6)的左端磁极相同。

5.根据权利要求4所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述U型金属板(9)的两端分别通过两个固定螺栓(7)连接在内连接板(8)以及传动外管(5)上。

6.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述U型金属板(9)由低屈服点的Q235B钢材或者形状记忆合金制成。

7.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述U型金属板(9)的圆弧段为半圆形，其圆弧半径和宽度根据设计需求计算。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述传动外管(4)的内壁和所述内传动轴(1)的外表面均涂抹有润滑油，以减少摩擦阻力。

9.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述自复位阻尼器还包括右传动轴(10)，所述右传动轴(10)与传动外管(4)右侧固定连接；所述内传动轴(1)和右传动轴(10)外侧均与建筑结构相连接。

10.根据权利要求1所述的基于永磁体斥力和U型金属板的自复位阻尼器，其特征在于：所述永磁体a(3)、永磁体b(4)和永磁体c(6)之间的间距由复位组预应力设计需求计算，复位组串联的永磁体个数由自复位阻尼器变形能力需求计算。

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