CN115030338A - 一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置 - Google Patents

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CN115030338A CN202210824392.8A CN202210824392A CN115030338A CN 115030338 A CN115030338 A CN 115030338A CN 202210824392 A CN202210824392 A CN 202210824392A CN 115030338 A CN115030338 A CN 115030338A
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Abstract

本发明涉及一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，该装置包括支架、至少一根导向柱(10)和至少一个可振动的惯性质量块(5)；所述的导向柱(10)穿插固设在支架内，所述的惯性质量块(5)与导向柱(10)活动穿插连接；所述的惯性质量块(5)内放置有阻尼粒子(52)。所述的支架包括分别位于惯性质量块(5)上下方的水平向安装支座(3)，以及垂向安装支座(1)；上下方的水平向安装支座(3)通过垂向安装支座(1)相连，所述的垂向安装支座(1)位于水平向安装支座(3)边缘。与现有技术相比，本发明具有安全可靠、在主结构的不同模态频率附近均能发挥良好的减振效果、鲁棒性强、价格低廉以及维护方便等优点。

Description

一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置
技术领域
本发明涉及减振降噪装置领域，具体涉及一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置。
背景技术
随着社会对高层建筑、桥梁、轨道交通等设施结构的安全性、可靠性关注日益增加，结构振动控制技术也越来越受到人们的重视。结构振动控制技术是通过在结构上安装一些主动的或被动的耗能装置来改变结构的刚度、阻尼等参数，以期达到减振控制效果。耗能装置对于保障结构的安全性、降低灾害性事故的发生等方面具有重大的意义
目前，许多桥梁、超高层建筑等工程项目广泛采用调谐质量阻尼器，控制结构体在外界荷载下的有害振动，为及时将结构能量耗散，同时安装粘滞阻尼器等传统阻尼装置。总的来说，在室温下粘性弹性材料和液体的粘性对于阻尼介质非常有效，但是它们在低温和高温下的性能非常低。随着时间的推移，这些材料变得越来越危险，效率越来越低。因此，必须定期检查和更换材料。除了桥梁和超高层建筑，轨道、船舶、大型机械装备等还存在宽频振动问题，原有调谐质量阻尼器无法做到分频调谐作用。
有关文献也公开了调谐质量粒子阻尼器，但此类文献只考虑了单个调谐质量系统，并未全面的根据主结构振动特性，在宽频范围内达到有效的减振降噪效果。此外，阻尼粒子作用腔结构形式单一，未充分提高阻尼粒子的有效碰撞程度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、在主结构的不同模态频率附近均能发挥良好的减振效果、鲁棒性强、价格低廉以及维护方便的基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，该装置包括支架、至少一根导向柱和至少一个具有分频调谐功能的惯性质量块(5)；
所述的导向柱穿插固设在支架内，所述的惯性质量块与导向柱活动穿插连接；所述的惯性质量块内放置有阻尼粒子。
惯性质量块具有调谐功能，根据主体结构模态频率可设计单块至多块调谐质量结构，且在同一模态频率下，也可设计成多质量块结构。
进一步地，所述的支架包括分别位于惯性质量块上下方的水平向安装支座，以及垂向安装支座；上下方的水平向安装支座通过垂向安装支座相连，所述的垂向安装支座位于水平向安装支座边缘。
进一步地，上下方的水平向安装支座之间还通过连接立柱相连，所述的导向柱固设在上下方的水平向安装支座之间。
进一步地，所述的水平向安装支座和垂向安装支座上均设有便于装置与主振动结构安装的安装通孔。减振降噪装置外表面与主体结构的连接方式为螺栓连接、键连接、销连接、焊接或水泥浇筑一体化。
进一步地，所述的惯性质量块内设有空腔体，所述的阻尼粒子填充在空腔体中。
进一步地，所述空腔体的形状为球体、半球体、立方体、长方体、锥体、柱体、棱台、正八面体或十面体；所述阻尼粒子的材质包括铁基合金、陶瓷、玻璃、橡胶、聚氨酯、碳化钨、铅等金属或非金属；阻尼粒子的直径范围为1-50mm，形状为球形或多面体；阻尼粒子在空腔体中的填充率为10-90％。阻尼粒子可采用不同尺寸的组合，形成多级配型式，阻尼粒子材料可选择上述材料的一种或多种。
进一步地，所述的空腔体内还设有提高阻尼粒子有效碰撞程度的扰流结构，该扰流结构为十字形结构、孔板结构或隔板结构中的一种或其组合。扰流结构可以提高粒子有效碰撞程度，通过碰撞和摩擦耗散更多主体结构能量。
进一步地，所述的惯性质量块上下设有固定公环，所述的水平向安装支座上设有与固定环位置对应的固定母环，所述的固定公环和固定母环间隔布置，固定公环和固定母环之间通过弹簧相连，该弹簧套设在固定公环和固定母环外。
进一步地，所述的惯性质量块前后两侧均固设有滑扣，所述的导向柱穿设在滑扣中，所述的滑扣包括相互连接的滑块和滑块连接板，所述的滑块连接板与惯性质量块及滑块采用螺栓连接或焊接。弹簧为分频式减振降噪装置发挥调谐功能提供刚度，滑块连接板与惯性质量块及滑块采用螺栓连接或焊接；滑块安装在导向圆柱上，沿导向圆柱轴向运动。
进一步地，所述的惯性质量块上设有使阻尼粒子装填的填料口。填料口是为了便于阻尼粒子填充或更换，填料口处采用螺纹连接，结构简单，连接可靠，装拆方便。
本发明涉及一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪方法及装置，应用于轨道交通、高层建筑、桥梁、航空航天、机械等领域，所述分频式减振降噪方法包括以下步骤：
S10:明确主振动系统所处的振动环境及可能遭受的激励类型。
S20:对主振动系统进行模态分析，确定欲控制系统的频率及振型。
S30:已知主振动系统振动特性后，进行分频式调谐质量系统的设计。
S40:在分频式调谐质量系统的基础上，设计粒子阻尼器。
上述S20中，包括以下步骤：
S21：建立主振动系统的三维模型。
S22：建立主振动系统机理模型，对主振动系统进行有限元分析。
S23：根据模态分析结果，确定主振动系统多阶模态频率及振型，通过振型获取主振动结构该阶模态振型向量绝对值最大值所对应的结构位置。
S24：通过动力结构试验法，对主振动系统机理模型进行验证，确认振动结构模态振型向量绝对值最大值所在位置。
上述S30中，包括以下步骤：
S31：初步选取主振动系统固有频率。分频式调谐质量系统需将其振动频率调整至主结构频率附近，改变主结构共振特性，将主结构的部分振动能量耗散，以达到减振目的。对完整振动系统而言，组成部件较多，影响其性能的因素也较多，各阶模态对因素的响应敏感性也差别较大；通常情况下，较高阶频率对结构振动影响较小，模态分析时，应主要考虑低阶模态频率(1阶，2阶，3阶)。
S32：确定分频式调谐质量系统中惯性质量块的质量比。根据已有工程设计经验，质量比的范围为0.01～0.1。
S33：根据结构质量、固有频率和刚度参数之间的关系，计算分频式调谐质量系统的子系统刚度参数。
S34：根据调谐质量系统阻尼与主振动系统临界阻尼之间的关系，计算分频式调谐质量系统阻尼，本发明通过粒子阻尼实现耗能效果。
上述基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置实际为多自由度系统，但是分频式调谐质量子系统之间是并列关系，因此可简化成二自由度系统。
上述分频式调谐质量系统属于初步设计，并未经过参数优化，在实际工程应用中应考虑主振动结构最大响应幅值和载荷幅值等因素，这样设计的调谐质量系统减振效果更佳。
上述S40中，包括以下步骤：
S41：基于离散单元法，建立包含基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置的主体振动结构模型。
S42：基于上述通过离散单元法建立的粒子阻尼能量耗散模型，调整粒子阻尼耗能影响参数：粒径、材料类型、粒子数目、填充比等因素，根据主振动结构振动特性结果分析，确定粒子阻尼耗能影响因素的最佳设计方案。
粒子阻尼是一种高度非线性阻尼，通过利用摩擦和非弹性碰撞进行能量耗散的复合阻尼技术。为了能准确模拟粒子间的复杂力学行为，选择合适的模拟方法尤为重要。目前较流行的离散单元法特别适用于矿山机械、碎石沙砾、物料传送等工程方面，是模拟散体系统内部力学行为和运动规律的一种高效数值方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)安全可靠：发明中分频式调谐质量系统的设计可借鉴已有的调谐质量阻尼器的工程经验，阻尼粒子填充在密闭腔体内，不会发生弹出伤人等事故，且粒子阻尼能有效拓宽频率范围，减振效果明显；
(2)具有分频特性：根据主体结构振动特性可设计单个至多个调谐质量系统，在主结构的不同模态频率附近均能发挥良好的减振效果；
(3)鲁棒性强：基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置可根据需要进行选材，适用于高温、高压、高辐射等极端环境，还可用于太空失重环境；
(4)价格低廉：发明中分频式调谐质量系统的选材多为铁基合金，阻尼粒子的选材通常为铁基合金、陶瓷、玻璃、橡胶、聚氨酯、碳化钨、铅等金属或非金属材料；
(5)维护方便：基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置可安装在主振动结构表面或便于通行的内部空间。通常情况下，在设计主结构时，会为该装置的安装预留空间。本发明各组件之间多采用螺栓固定，便于组件更换；惯性质量块表面设计填料口，便于阻尼粒子的填充和更换。
附图说明
图1为实施例1中降噪装置结构示意图；
图2为实施例1中惯性质量块结构示意图；
图3为实施例2中惯性质量块结构示意图；
图4为实施例3中惯性质量块结构示意图；
图5为实施例4中惯性质量块结构示意图；
图6为实施例1中降噪装置阻尼粒子耗能对比图；
图中标号所示：垂向安装支座1、连接立柱2、水平向安装支座3、弹簧4、惯性质量块5、空腔体51、阻尼粒子52、隔板扰流结构53、孔板扰流结构54、十字形扰流结构55、滑块6、固定公环71、固定母环72、填料口8、滑块连接板9、导向柱10、安装通孔11。
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。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，如图1-2，该装置包括支架、导向柱10和可振动的惯性质量块5；导向柱10穿插固设在支架内，所述的惯性质量块5与导向柱10活动穿插连接；所述的惯性质量块5内放置有阻尼粒子52。共设置三个调谐惯性质量块5，尺寸分别为：400×400×320mm、300×300×320mm、200×200×320mm，惯性质量块5壁厚为10mm。
支架包括分别位于惯性质量块5上下方的水平向安装支座3，以及垂向安装支座1；上下方的水平向安装支座3通过垂向安装支座1相连，所述的垂向安装支座1位于水平向安装支座3边缘。上下方的水平向安装支座3之间还通过连接立柱2相连，所述的导向柱10固设在上下方的水平向安装支座3之间。水平向安装支座3和垂向安装支座1上均设有便于装置与主振动结构安装的安装通孔11。共安装4根连接立柱2，6根导向柱10。
惯性质量块5内设有空腔体51，所述的阻尼粒子52填充在空腔体51中。空腔体51的形状为长方体，长方体结构便于安装粒子扰流器；所述阻尼粒子52的材质为铁基合金；阻尼粒子52的直径为10mm左右，形状为球体；阻尼粒子52在空腔体51中的填充率为50％左右。空腔体51内还设有提高阻尼粒子52有效碰撞程度的扰流结构，该扰流结构为隔板扰流结构53。
惯性质量块5上下设有固定公环71，所述的水平向安装支座3上设有与固定环7位置对应的固定母环72，所述的固定公环71和固定母环72间隔布置，固定公环71和固定母环72之间通过弹簧4相连，该弹簧4套设在固定公环71和固定母环72外。惯性质量块5前后两侧均固设有滑扣，所述的导向柱10穿设在滑扣中，所述的滑扣包括相互连接的滑块6和滑块连接板9，所述的滑块连接板9与惯性质量块5焊接。惯性质量块5上设有使阻尼粒子52装填的填料口8。
当主结构受到外界荷载时，主结构部分能量就会向调谐系统传递，此时各调谐子系统带动滑块沿导向柱10运动，同时空腔内的阻尼粒子52通过碰撞和摩擦的形式耗散振动能量，达到减振降噪的目的。降噪情况如图6所示。图2-5结构示意图均以图1最左侧惯性质量块5调谐子系统为例。
实施例2
如图3所示，与实施例1的不同之处在于，扰流结构为孔板扰流结构54。
实施例3
如图4所示，与实施例1的不同之处在于，扰流结构为十字形扰流结构55。
实施例4
如图5所示，与实施例1的不同之处在于，扰流结构为十字形扰流结构55和孔板扰流结构54的组合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，该装置包括支架、至少一根导向柱(10)和至少一个具有分频调谐功能的惯性质量块(5)；
所述的导向柱(10)穿插固设在支架内，所述的惯性质量块(5)与导向柱(10)活动穿插连接；所述的惯性质量块(5)内放置有阻尼粒子(52)。
2.根据权利要求1所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的支架包括分别位于惯性质量块(5)上下方的水平向安装支座(3)，以及垂向安装支座(1)；上下方的水平向安装支座(3)通过垂向安装支座(1)相连，所述的垂向安装支座(1)位于水平向安装支座(3)边缘。
3.根据权利要求2所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，上下方的水平向安装支座(3)之间还通过连接立柱(2)相连，所述的导向柱(10)固设在上下方的水平向安装支座(3)之间。
4.根据权利要求2所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的水平向安装支座(3)和垂向安装支座(1)上均设有便于装置与主振动结构安装的安装通孔(11)。
5.根据权利要求1所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的惯性质量块(5)内设有空腔体(51)，所述的阻尼粒子(52)填充在空腔体(51)中。
6.根据权利要求5所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述空腔体(51)的形状为球体、半球体、立方体、长方体、锥体、柱体、棱台、正八面体或十面体；所述阻尼粒子(52)的材质包括陶瓷、玻璃、橡胶、聚氨酯、碳化钨或金属；阻尼粒子(52)的直径范围为1-50mm，形状为球形或多面体；阻尼粒子(52)在空腔体(51)中的填充率为10-90％。
7.根据权利要求6所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的空腔体(51)内还设有提高阻尼粒子(52)有效碰撞程度的扰流结构，该扰流结构为十字形结构、孔板结构或隔板结构中的一种或其组合。
8.根据权利要求2所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的惯性质量块(5)上下设有固定公环(71)，所述的水平向安装支座(3)上设有与固定环(7)位置对应的固定母环(72)，所述的固定公环(71)和固定母环(72)间隔布置，固定公环(71)和固定母环(72)之间通过弹簧(4)相连，该弹簧(4)套设在固定公环(71)和固定母环(72)外。
9.根据权利要求1所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的惯性质量块(5)前后两侧均固设有滑扣，所述的导向柱(10)穿设在滑扣中，所述的滑扣包括相互连接的滑块(6)和滑块连接板(9)，所述的滑块连接板(9)与惯性质量块(5)及滑块(6)采用螺栓连接或焊接。
10.根据权利要求1所述的一种基于调谐质量粒子阻尼器的分频式减振降噪装置，其特征在于，所述的惯性质量块(5)上设有使阻尼粒子(52)装填的填料口(8)。
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