CN117235855B - 一种风电塔架非线性能量阱及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风电塔架非线性能量阱及控制方法，风电塔架非线性能量阱，包括基座、叠变质量块、变曲率轨道；基座用于支撑设置变曲率轨道，变曲率轨道内设置叠变质量块；变曲率轨道包括基础轨道板、可弯轨道板、伸缩杆阵列，基础轨道板固定设置，基础轨道板、可弯轨道板之间设置有伸缩杆阵列，伸缩杆阵列用于调整可弯轨道板；风电塔架非线性能量阱的控制方法，包括如下步骤：步骤一，计算变曲率轨道的目标轨道形状函数；步骤二，初始化变曲率轨道的伸缩杆阵列；步骤三，计算伸缩杆阵列的各个目标伸缩长度；步骤四，调节变曲率轨道的形状。

Description

一种风电塔架非线性能量阱及控制方法

技术领域

本发明涉及风电塔架结构振动控制技术领域，具体涉及一种风电塔架非线性能量阱及控制方法。

背景技术

结构振动控制是在结构某部位设置一定的控制系统，当结构在外部动力荷载作用下发生振动时，控制系统通过施加一定的控制力或改变结构动力特性来调谐和减小结构的反应。特别是对于高耸结构，其高柔的特性导致结构在风荷载、地震作用下产生较明显的动力响应，影响结构的正常服役甚至带来严重安全问题，故而振动控制技术在高耸结构中应用广泛。调谐质量阻尼器TMD是当前较为常用的一种阻尼器形式，该阻尼器原理是通过将阻尼器频率与结构频率一致或相近来实现减振，具有构造简单、稳定性好等优点。然而TMD对频率比较敏感，若阻尼器频率和结构频率不一致，其减振效果会大大减小，甚至会放大结构的响应。结构在服役过程中受外界因素，地震、风灾、锈蚀等作用易导致刚度退化时，进而使得结构频率也会改变。

风电塔架作为高耸结构，海上风电塔架的高度通常在80米到140米之间；当前风电塔架减振的TMD随着结构频率的改变会丧失其减振作用，服役期满后，与之匹配的阻尼器也会因频率问题难以在其它结构中应用，造成了资源的浪费。

为更好地实现绿色建筑理念，促进资源的循环使用，就要求用于结构振动控制的阻尼器不仅仅在与之对应结构的整个服役期内都具有较好的减振特性，还应满足在结构服役期满后与之匹配的阻尼器能够便捷应用于其它结构中，实现其功能性、经济性与便捷性的统一。

申请公布号CN115758799A，公开了一种分段刚度非线性能量阱系统的分析方法和装置，用于分析系统在简谐激励下的响应，通过建立分段刚度非线性能量阱系统的动力学模型、慢变方程、不动点满足方程，分析鞍结分岔特性；分析霍普夫分岔特性；建立在引入分段刚度前后的慢不变流形，得到有阻尼模型的响应特性，对于风电塔架非线性能量阱缺乏可用的技术措施；

申请公布号CN114593177B，公开了一种非线性能量阱阻尼调整结构，通过调整阻尼调节螺栓改变阻尼的大小来分析回转机械转轴在服役下的动态特性的影响，进而选择合适的装备系统的工艺参数，提高回转机械系统的运行稳定性，对于风电塔架非线性能量阱缺乏可用的技术措施；

申请公布号CN115713010A，公开了一种弱阻尼非线性能量阱系统能量耗散特性分析方法和装置，建立有阻尼非线性能量阱系统模型、弱阻尼非线性能量阱系统模型，并分析能量耗散特性，主要实现了对弱阻尼分段刚度非线性能量阱系统的能量耗散特性分析，对于风电塔架非线性能量阱缺乏可用的技术措施；

申请公布号CN116305926A，公开了一种非线性能量阱系统最优靶能量传递特性优化方法，非线性能量阱系统为弹性板-压电非线性能量阱系统，建立其二自由度模型，得到耦合系统动力学方程，求解慢不变流形，求解强迫振动响应，得到系统响应曲面，改善振动抑制效果，拓宽靶能量传递特性阈值区间，对于风电塔架非线性能量阱缺乏可用的技术措施；

上述现有技术，无法克服上述技术缺陷，因此需要进行技术改进，以解决上述困难。

发明内容

有鉴于此，面对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风电塔架非线性能量阱，解决现有阻尼器难以重复使用，频率调整范围小的问题。

本申请旨在解决背景技术中的问题之一，本发明所采用的技术方案为，为实现上述目的及其他相关目的，提供如下技术方案：

一种风电塔架非线性能量阱，包括基座、叠变质量块、变曲率轨道；

基座用于支撑设置变曲率轨道，变曲率轨道内设置叠变质量块；

变曲率轨道包括基础轨道板、可弯轨道板、伸缩杆阵列，基础轨道板固定设置，基础轨道板、可弯轨道板之间设置有伸缩杆阵列，伸缩杆阵列用于调整可弯轨道板。

本申请提供的一种技术方案，还具有以下技术特征：

优选的，叠变质量块包括质量单元A、质量单元B、固定杆，固定杆上套设至少一个质量单元B；质量单元A套设在质量单元B或者固定杆上，质量单元A的直径大于质量单元B的直径，质量单元A用于保证整体质量块宽度和滚动直径不变，增加或减小质量单元B的质量用于调整叠变质量块的质量。

优选的，伸缩杆阵列为液压缸或电动伸缩杆。

优选的，伸缩杆阵列和基础轨道板、可弯轨道板之间均为铰接。

优选的，伸缩杆阵列连接有电机模块，伸缩杆阵列的伸缩杆两端均设置连接环。

优选的，质量单元B包括有不同规格直径组成的质量块。

优选的，基座包括底板、侧板，底板的两侧设置侧板，两个侧板和底板之间包围的空间内固定变曲率轨道的基础轨道板。

优选的，基础轨道板上设置有线管孔。

优选的，伸缩杆阵列或/和电机模块均连接有控制模块，控制模块用于调整伸缩杆阵列的伸缩长度。

优选的，底板用于连接主体结构，底板上设置有螺栓孔。

优选的，侧板有两个，侧板垂直于底板并与底板相连，一方面用于固定基础轨道板，一方面为内部圆柱质量块提供侧向约束。

优选的，基础轨道板为弧度板，且自对称；基础轨道板是具有一定弧度的板件，与侧板固定在一起。

优选的，固定杆用于将质量单元A和质量单元B固定在一起。

优选的，通过调整质量单元B的直径可保证整体质量块宽度和滚动直径不变的情况下增加或减小质量。

优选的，伸缩杆阵列包括至少四个可独立控制的伸缩杆组成，沿着基础轨道板弧度方向均匀布置，在垂直于侧板平面方向布置。

优选的，可弯轨道板具有刚度，在一定范围内发生弯曲变形的板件，通过伸缩杆阵列的伸缩将可弯轨道板的形状符合所需的轨道方程。

优选的，控制模块设置在底板之上，根据结构自振频率计算所需轨道参数，进而控制伸缩杆阵列的各伸缩杆的伸缩长度实现可弯轨道板的形状的变化。

一种风电塔架非线性能量阱的控制方法，风电塔架非线性能量阱包括基座、叠变质量块、变曲率轨道，包括如下步骤：

步骤一，计算变曲率轨道的目标轨道形状函数；

步骤二，初始化变曲率轨道的伸缩杆阵列；

步骤三，计算伸缩杆阵列的各个目标伸缩长度；

步骤四，调节变曲率轨道的形状。

优选的，步骤一中，获取输入结构的自振频率和初始规定形状参数。

本发明的有益效果：

1、本发明将叠变质量块设置为组拼式，通过调整质量单元B完成质量的调整，而质量单元A的直径不变，质量单元A的不变直径可保证整体质量块宽度和滚动直径不变的情况下增加或减小质量单元B的质量，提高阻尼器对不同结构的适用性；

2、本发明通过伸缩杆阵列调节变曲率轨道的可弯轨道板的形状，能够大幅度扩大此阻尼器频率调节范围，能够保证阻尼器不因结构刚度退化而失效，使得在结构整个服役期内都有较好减振效果，同时还能适应不同结构需求，满足在结构服役期满后与之匹配的阻尼器能够便捷应用于其它结构中；

3、本发明在简易轨道的基础上设置可弯轨道板，使得该阻尼器兼具被动控制阻尼器鲁棒性高和主动控制灵活性高的优点。

附图说明

图1为本发明一种风电塔架非线性能量阱的立体图；

图2为本发明一种风电塔架非线性能量阱的剖视图；

图3为本发明一种风电塔架非线性能量阱的基座及基础轨道板的立体图；

图4为本发明一种风电塔架非线性能量阱的伸缩杆阵列和可弯轨道板的立体图；

图5为本发明一种风电塔架非线性能量阱的伸缩杆阵列的伸缩杆结构示意图；

图6为本发明一种风电塔架非线性能量阱的叠变质量块的立体图；

图7为本发明一种风电塔架非线性能量阱的轨道形状控制流程图；

图中：

1、底板

2、侧板

3、基础轨道板

4、螺栓孔

5、线管孔

6、伸缩杆阵列

7、电机模块

8、连接环

9、可弯轨道板

10、质量单元A

11、质量单元B

12、固定杆

13、控制模块。

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详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-6，一种风电塔架非线性能量阱，包括基座、叠变质量块、变曲率轨道；

基座用于支撑设置变曲率轨道，变曲率轨道内设置叠变质量块；

变曲率轨道包括基础轨道板3、可弯轨道板9、伸缩杆阵列6，基础轨道板3固定设置，基础轨道板3、可弯轨道板9之间设置有伸缩杆阵列6，伸缩杆阵列6用于调整可弯轨道板9。

本申请实施时，具有这样的特点：本发明属于结构振动控制领域，具体涉及一种可重复使用的轨道可调非线性能量阱及其控制系统，包括组拼式质量块、可调轨道和13。组拼式质量块，是由多个质量单元组拼而成，便于调整质量。可调轨道，包括基座、6系统和9。基座，包括1、2和3。3是具有一定弧度的板件，与2固定在一起。6系统是由多个可独立控制的电动6组成。13可根据结构自振频率计算所需轨道参数，进而控制6系统各杆件的伸缩长度实现9形状的变化。本发明提出的可重用轨道可调非线性能量阱，相比传统调谐质量阻尼器，不仅能够产生非线性回复力，具有更高的频率鲁棒性，保证阻尼器不因结构在服役期内频率改变而丧失减振效果，而且通过自主调节轨道形状，能在结构服役期满后拆卸并重用于其它结构中，充分体现该阻尼器的绿色特性与经济性。

具体的，叠变质量块包括质量单元A10、质量单元B11、固定杆12，固定杆12上套设至少一个质量单元B11；质量单元A10套设在质量单元B11或者固定杆12上，质量单元A10的直径大于质量单元B11的直径。

具体的，伸缩杆阵列6为液压缸或电动伸缩杆；伸缩杆阵列6和基础轨道板3、可弯轨道板9之间均为铰接。

具体的，伸缩杆阵列6连接有电机模块7，伸缩杆阵列6的伸缩杆两端均设置连接环8；质量单元B11包括有不同规格直径组成的质量块；基座包括底板1、侧板2，底板1的两侧设置侧板2，两个侧板2和底板1之间包围的空间内固定变曲率轨道的基础轨道板3；基础轨道板3上设置有线管孔5；伸缩杆阵列6或/和电机模块7均连接有控制模块13，控制模块13用于调整伸缩杆阵列6的伸缩长度。

具体的，底板1用于连接主体结构，底板1上设置有螺栓孔4；侧板2有两个，侧板2垂直于底板1并与底板1相连，一方面用于固定基础轨道板3，一方面为内部圆柱质量块提供侧向约束。

具体的，基础轨道板3为弧度板件，基础轨道板3是具有弧度的板件，与侧板2固定在一起；固定杆12用于将质量单元A10和质量单元B11固定在一起；通过调整质量单元B11的直径可保证整体质量块宽度和滚动直径不变的情况下增加或减小质量；伸缩杆阵列6包括至少四个可独立控制的伸缩杆组成，沿着基础轨道板3弧度方向均匀布置，在垂直于侧板2平面方向布置；可弯轨道板9具有刚度，在一定范围内发生弯曲变形的板件，通过伸缩杆阵列6的伸缩将可弯轨道板9的形状符合所需的轨道方程；控制模块13设置在底板1之上，根据结构自振频率计算所需轨道参数，进而控制伸缩杆阵列6的各伸缩杆的伸缩长度实现可弯轨道板9的形状的变化。

如图7，一种风电塔架非线性能量阱的控制方法，风电塔架非线性能量阱包括基座、叠变质量块、变曲率轨道，包括如下步骤：

步骤一，计算变曲率轨道的目标轨道形状函数；

步骤二，初始化变曲率轨道的伸缩杆阵列6；

步骤三，计算伸缩杆阵列6的各个目标伸缩长度；

步骤四，调节变曲率轨道的形状。

具体的，步骤一中，获取输入结构的自振频率和初始规定形状参数。

具体的，变曲率轨道的基座，包括底板1，侧板2和基础轨道板3；底板1上设置螺栓孔4，用来连接主体结构；两块侧板2分别垂直固定在底板1的两端；基础轨道板3为弧形板，固定在两块侧板2中间，在其上设置一个线管孔5，用以穿过线束；

伸缩杆阵列6沿轨道方向布置，伸缩杆阵列6包含杆件部分和电机模块7，在宽度方向也设置有伸缩杆阵列6，在控制时保证二者伸缩量相同；伸缩杆阵列6为电动伸缩杆阵列6，可根据电能输入情况控制伸缩杆阵列6的伸缩量；在沿着轨道方向，通过控制伸缩杆阵列6的伸缩量实现轨道板可弯轨道板9弯曲度的调节，其数量不少于五组；伸缩杆阵列6和基础轨道板3采用铰接形式连接，即在基础轨道板3上设置连接环8，同时在伸缩杆阵列6一端设置与之匹配的连接环8，并通过螺栓连接；可弯轨道板9具备一定刚度，能够使质量块在轨道内滚动，同时又能在一定范围内发生弹性弯曲变形，以满足轨道可变的要求；可弯轨道板9与伸缩杆阵列6系统之间也是设置连接环8，并用螺栓连接；可弯轨道板9的侧面与侧板2接触但不固定，以约束可弯轨道板9侧向位移同时保证在竖向平面内的弯曲；

叠变质量块，主要提供惯性力，其大小根据主体结构质量确定；叠变质量块包括质量单元A10、质量单元B11和固定杆12；质量单元A10的直径要大于质量单元B11的直径，通过调整质量单元B11的直径可保证整体质量块宽度和滚动直径不变的情况下增加或减小质量；固定杆12包括两部分，一是类似外六角螺杆但内部中空并设有螺纹的杆件，二是内六角螺杆，通过将外六角螺杆连接各个质量单元，然后用内六角螺杆固定；置叠变质量块置于可弯轨道板可弯轨道板9内，并可在轨道内滚动；

控制模块13设置在底板1上，通过线管孔5，控制伸缩杆阵列6的伸缩杆的伸缩长度；

控制模块13内置轨道形状控制系统，工作原理为：首先输入结构自振频率、初始轨道形状函数，然后计算得到目标轨道形状函数，接着初始化伸缩杆阵列6，通过对比初始轨道形状函数和目标轨道形状函数计算得到伸缩杆阵列6的各个伸缩杆的所需伸缩长度，然后根据控制伸缩杆阵列6来调节可弯轨道板9形状，最后完成轨道形状控制；

质量单元A质量单元A10套和质量单元B质量单元B11为圆柱形，当然，根据需要，质量块可为球形；

底板1为矩形，根据需要，也可将其改为圆形；

可弯轨道板9上方未设置盖板，根据需要，也可设置盖板，防止叠变质量块滚出；

本发明可应用于一般框架结构振动控制中，也可用于诸如风电塔架和烟囱等高耸结构中。在主体结构服役期内，此轨道非线性能量阱的非线性特性，能够保证在结构发生一定范围内的刚度退化时减振效果仍旧突出，也能够在结构服役期满后通过调整轨道形状快速适应新的主体结构，充分体现该轨道非线性能量阱的绿色特性，实现功能性、经济性和便捷性的统一。

总的来说，本发明将叠变质量块设置为组拼式，通过调整质量单元B11完成质量的调整，而质量单元A10的直径不变，质量单元A10的不变直径可保证整体质量块宽度和滚动直径不变的情况下增加或减小质量单元B11的质量，提高阻尼器对不同结构的适用性；

本发明通过伸缩杆阵列6调节变曲率轨道的可弯轨道板9的形状，能够大幅度扩大此阻尼器频率调节范围，能够保证阻尼器不因结构刚度退化而失效，使得在结构整个服役期内都有较好减振效果，同时还能适应不同结构需求，满足在结构服役期满后与之匹配的阻尼器能够便捷应用于其它结构中；

本发明在简易轨道的基础上设置可弯轨道板9，使得该阻尼器兼具被动控制阻尼器鲁棒性高和主动控制灵活性高的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电塔架非线性能量阱，用于风电塔架的结构服役期内，以及风电塔架的结构服役期满后的非风电塔架结构中，其特征在于，包括基座、叠变质量块、变曲率轨道；基座用于支撑设置变曲率轨道，变曲率轨道内设置叠变质量块；

变曲率轨道包括基础轨道板（3）、可弯轨道板（9）、伸缩杆阵列（6），基础轨道板（3）固定设置，基础轨道板（3）、可弯轨道板（9）之间设置有伸缩杆阵列（6），伸缩杆阵列（6）用于调整可弯轨道板（9），实现阻尼器频率调节，使阻尼器不因结构刚度退化而失效，满足风电塔架的结构服役期内减振要求，以及风电塔架的结构服役期满后配套阻尼器用于非风电塔架结构中；

叠变质量块包括质量单元A（10）、质量单元B（11）、固定杆（12），固定杆（12）上套设至少一个质量单元B（11）；质量单元A（10）套设在质量单元B（11）或者固定杆（12）上，质量单元A（10）的直径大于质量单元B（11）的直径；

伸缩杆阵列（6）和基础轨道板（3）、可弯轨道板（9）之间均为铰接，伸缩杆阵列（6）的伸缩杆两端均设置连接环（8）；

基座包括底板（1）、侧板（2），底板（1）的两侧设置侧板（2），两个侧板（2）和底板（1）之间包围的空间内固定变曲率轨道的基础轨道板（3）

基础轨道板（3）为弧度板件，与侧板（2）固定在一起；

伸缩杆阵列（6）沿着基础轨道板（3）弧度方向均匀布置，在垂直于侧板（2）平面方向布置。

2.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，伸缩杆阵列（6）为液压缸或电动伸缩杆。

3.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，伸缩杆阵列（6）连接有电机模块（7）。

4.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，质量单元B（11）包括有不同规格直径组成的质量块。

5.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，基础轨道板（3）上设置有线管孔（5）。

6.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，伸缩杆阵列（6）或/和电机模块（7）均连接有控制模块（13），控制模块（13）用于调整伸缩杆阵列（6）的伸缩长度。

7.如权利要求1所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，底板（1）用于连接主体结构，底板（1）上设置有螺栓孔（4）；侧板（2）有两个，侧板（2）垂直于底板（1）并与底板（1）相连，一方面用于固定基础轨道板（3），一方面为内部圆柱质量块提供侧向约束。

8.一种风电塔架非线性能量阱的控制方法，采用如权利要求1-7任一所述的一种风电塔架非线性能量阱，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，计算变曲率轨道的目标轨道形状函数；

步骤二，初始化变曲率轨道的伸缩杆阵列（6）；

步骤三，计算伸缩杆阵列（6）的各个目标伸缩长度；

步骤四，调节变曲率轨道的形状。

9.如权利要求8所述的一种风电塔架非线性能量阱的控制方法，其特征在于，步骤一中，获取输入结构的自振频率和初始规定形状参数。