CN117587950A - 一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，包括：U型调谐液柱阻尼器、矩形调谐液体阻尼器、连通U型调谐液柱阻尼器和矩形调谐液体阻尼器的管道、液位计、流速计、位移计和微控器。本发明所提供的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，能够实时调节系统内U型调谐液柱阻尼器和矩形调谐液体阻尼器的频率与阻尼比，相比传统的液体阻尼器具有更宽频带消能减震性能和更好的实时振动控制性能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程、振动控制技术领域，具体涉及一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统。
背景技术
随着建造技术的进步与发展，建筑结构愈发高耸，伴随着其结构柔、阻尼比小等特性，使得建筑结构在多灾害作用影响下产生较大的位移与加速度，影响结构的安全与室内用户的舒适度。因此如何在多灾害耦合作用下进行结构的智能防灾减灾控制成为高层乃至超高层建筑设计中十分关键的问题。
调谐液体阻尼器是一种被动耗能减振装置，通过利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。但因其结构特性，水箱内的液体部分参与振动，且频率、阻尼不可调，在结构减振方面具有一定的局限性。
调谐液柱阻尼器是一种成本低廉、安装方便、频率可调、维护简单的建筑结构振动控制装置。使用时，U型等截面管状刚性水箱下部与结构固定，当结构由于外部荷载作用而产生振动时，带动调谐液柱阻尼器内部水体往复运动。水体在往复运动过程中频繁流经过水孔产生阻尼力，耗散结构的振动能量，减小结构的振动，与此同时水体运动产生与结构振动方向相反的惯性力，进一步减小结构振动。传统的调谐液柱阻尼器的控制效果对自身的参数敏感，且对建筑结构的宽频带消能减震作用不佳，对风和地震耦合的多灾害的控制效果也不尽如人意。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，能够实时调节系统内U型调谐液柱阻尼器和矩形调谐液体阻尼器的频率与阻尼比，相比传统的液体阻尼器具有更宽频带消能减震性能和更好的实时振动控制性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，包括：U型调谐液柱阻尼器、矩形调谐液体阻尼器、连通U型调谐液柱阻尼器和矩形调谐液体阻尼器的管道、液位计、流速计、位移计和微控器。
所述U型调谐液柱阻尼器具有水平管段、第一竖直管段和第二竖直管段，所述第一竖直管段和第二竖直管段分别位于所述水平管段的两端且各自与所述水平管段相通，所述水平管段中设有磁流变阻尼器，所述磁流变阻尼器包括：密封筒和沿所述密封筒的中心轴设置的活动杆，所述活动杆外包裹有金属空心筒体，所述金属空心筒体的外侧环绕有励磁线圈，所述励磁线圈利用所述活动杆与外接电源导线相连，所述密封筒内存有磁流变液，所述活动杆的一端从所述密封筒的一端伸出至所述密封筒的外部且通过固定螺丝与第一活塞连接，所述活动杆的另一端上设有导向装置，所述活动杆由所述导向装置确定平动方向，第二活塞通过焊接或螺栓连接至所述密封筒的另一端，使得所述第一活塞和第二活塞可随所述活动杆的移动沿所述水平管段平动且始终保持分隔、密封所述水平管段两侧的液柱。
所述矩形调谐液体阻尼器包括：可更换式带孔格栅、步进式可伸缩杆和步进电机，所述步进电机控制所述步进式可伸缩杆的移动进而改变所述可更换式带孔格栅与液体的接触面积。
所述管道包括：第一管道，单向连通所述U型调谐液柱阻尼器与所述矩形调谐液体阻尼器，所述第一管道通过水泵将液体从所述矩形调谐液体阻尼器中泵入所述U型调谐液柱阻尼器；以及第二管道，单向连通所述U型调谐液柱阻尼器与所述矩形调谐液体阻尼器，所述第二管道在电磁阀的控制下将液体从所述U型调谐液柱阻尼器排入所述矩形调谐液体阻尼器。
所述液位计包括至少三个液位计，用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的总长度，所述三个液位计分别设置在所述U型调谐液柱阻尼器的第一竖直管段的底部、所述U型调谐液柱阻尼器的第二竖直管段的底部和所述矩形调谐液体阻尼器的底部。
所述流速计设置在所述U型调谐液柱阻尼器内，用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的流速。
所述位移计通过螺栓固定在建筑结构上，用于测量所述建筑结构的位移。
所述微控器用于接受所述位移计的信号及传感系统的信号，经过内置算法分析处理后，控制驱动系统进行半主动液体阻尼器系统的频率与阻尼比的调节。
所述液位计和所述流速计构成所述半主动液体阻尼器系统的所述传感系统。
所述电磁阀、所述水泵、所述第一管道、所述第二管道、所述步进电机和所述步进式可伸缩杆构成所述半主动液体阻尼器的所述驱动系统，通过驱动所述电磁阀、水泵、第一管道和第二管道自动实时调节所述U型调谐液柱阻尼器内的水量来改变水中心线的总长度以重调谐自振频率。
所述磁流变阻尼器和所述可更换式带孔格栅构成所述半主动液体阻尼器的阻尼系统，通过改变所述磁流变阻尼器的所述磁流变液的通电量及磁通量以改变其黏度来改变所述U型调谐液柱阻尼器的阻尼，通过改变所述可更换式带孔格栅与液体的接触面积以改变所述矩形调谐液体阻尼器的阻尼。
其中，所述活动杆伸出所述密封筒处通过密封件密封。
其中，所述励磁线圈的外部涂有耐磨层；优选地，所述耐磨层的的厚度范围为5 cm~10 cm。
进一步地，所述矩形调谐液体阻尼器还设有格栅架，所述可更换式带孔格栅连接在所述格栅架上。其中，所述可更换式带孔格栅的数量可为3~8个以组成格栅群。
进一步地，所述步进式可伸缩杆包括步进式可伸缩上杆，通过螺栓固定连接在所述格栅架的上端，所述步进式可伸缩上杆在所述步进电机的控制下带动所述格栅架上下移动。所述步进式可伸缩杆还可以包括步进式可伸缩下杆，通过螺栓固定连接在所述格栅架的下端，所述可更换式带孔格栅通过固定螺栓连接在所述步进式可伸缩下杆的下端处，所述步进式可伸缩下杆在所述步进电机的控制下带动所述可更换式带孔格栅上下移动。
其中，所述步进式可伸缩杆的可调节长度范围为0~3 m。
本发明所提出的如上所述的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，U型调谐液柱阻尼器与矩形调谐液体阻尼器通过第一管道和第二管道实现双向连通，可通过驱动系统内的电磁阀、水泵和水管自动实时调节U型调谐液柱阻尼器内的水量来改变水中心线的总长度以重调谐自振频率，同时利用磁流变阻尼器改变阻尼，以期提高对结构的振动控制作用；驱动系统内的步进电机和步进式可伸缩杆通过改变格栅群与矩形调谐液体阻尼器中液体的接触面积以期同时提高对结构的振动控制效果。
本发明所提出的如上所述的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的半主动液体阻尼器系统能够改变阻尼器自身频率，相比传统的调谐液体阻尼器频率不可调，具有更强的适应性。
第二、本发明的半主动液体阻尼器系统能够改变阻尼器自身的阻尼比，相比传统的调谐液柱阻尼器不可变阻尼，能够最大程度地将建筑结构的振动能量转移到自身并耗散以达到消能减震作用。
第三、本发明的半主动液体阻尼器系统由U型调谐液柱阻尼器与矩形调谐液体阻尼器共同进行振动控制，以达到最佳控制效果。
附图说明
图1为本发明的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统的结构示意图。
图2为本发明的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统的矩形调谐液体阻尼器部分的侧视图。
图3为本发明的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统的半主动控制流程图。
附图标记：1-U型调谐液柱阻尼器，100-水平管段，101-第一竖直管段，102-第二竖直管段，2-磁流变阻尼器，3-水泵，4-电磁阀，51-第一管道，52-第二管道，6-可更换式带孔格栅，7-步进式可伸缩杆，8-矩形调谐液体阻尼器，9-液位计，10-固定螺丝，11-活塞，12-导向装置，13-活动杆，14-密封件，15-外接电源导线，16-磁流变液，17-耐磨层，18-励磁线圈，19-密封筒，20-金属空心筒体，21-流速计，22-固定螺栓，23-格栅架，24-步进电机，25-微控器和26-位移计。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所提出的可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，包括：U型调谐液柱阻尼器1、矩形调谐液体阻尼器8、连通U型调谐液柱阻尼器1和矩形调谐液体阻尼器8的第一管道51和第二管道52、三个液位计9、流速计21、位移计26和微控器25。
U型调谐液柱阻尼器1具有水平管段100、第一竖直管段101和第二竖直管段102，第一竖直管段101和第二竖直管段102分别位于水平管段100的两端且各自与水平管段100相通，水平管段100中设有磁流变阻尼器2，磁流变阻尼器2包括：密封筒19和沿密封筒19的中心轴设置的活动杆13，活动杆13外包裹有金属空心筒体20，金属空心筒体20的外侧环绕有励磁线圈18，励磁线圈18的外部涂有耐磨层17，优选地，耐磨层的17的厚度范围为5 cm~10cm。励磁线圈18利用活动杆13与外接电源导线15相连，密封筒19内存有磁流变液16，活动杆13的一端从密封筒19的一端伸出至密封筒19的外部且通过固定螺丝10与活塞11连接，活动杆13的另一端上设有导向装置12，活动杆13由导向装置12确定平动方向，另一活塞11通过焊接或螺栓连接至密封筒19的另一端，两活塞11可随活动杆13的移动沿水平管段100平动且始终保持分隔、密封水平管段100两侧的液柱。其中，活动杆13伸出密封筒19处通过密封件14密封。
矩形调谐液体阻尼器8包括：可更换式带孔格栅6、格栅架23、步进式可伸缩杆7和步进电机24，格栅架23的上端和下端均设有步进式可伸缩杆7，可更换式带孔格栅6通过设置在格栅架23下端的步进式可伸缩杆7连接在格栅架23上，步进电机24控制上端和/或下端的步进式可伸缩杆7的移动从而带动可更换式带孔格栅6上下移动进而改变可更换式带孔格栅6与液体的接触面积。
第一管道51和第二管道52分别单向连通U型调谐液柱阻尼器1与所形调谐液体阻尼器8。其中，第一管道51通过水泵3将液体从矩形调谐液体阻尼器8中泵入U型调谐液柱阻尼器1，第二管道52在电磁阀4的控制下将液体从U型调谐液柱阻尼器1排入矩形调谐液体阻尼器8。
三个液位计9用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的总长度，分别设置在U型调谐液柱阻尼器1的第一竖直管段101的底部、U型调谐液柱阻尼器1的第二竖直管段102的底部和矩形调谐液体阻尼器8的底部。
流速计21设置在U型调谐液柱阻尼器1内，用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的流速。如图1所示，本实施例中，流速计21设置在U型调谐液柱阻尼器1的第二竖直管段102内靠近连通U型调谐液柱阻尼器1和矩形调谐液体阻尼器8的第一管道51和第二管道52处。
位移计26通过螺栓固定在建筑结构上，用于测量所述建筑结构的位移。
微控器25用于接受位移计26的信号及传感系统的信号，经过内置算法分析处理后，控制驱动系统进行半主动液体阻尼器系统的频率与阻尼比的调节。
其中，可更换式带孔格栅6的数量可为3~8个以组成格栅群，步进式可伸缩杆7的可调节长度范围为0~3 m。
U型调谐液柱阻尼器部分
U型调谐液柱阻尼器部分包括：磁流变阻尼器2、液位计9、流速计21，磁流变阻尼器2包括活塞11、导向装置12、活动杆13、磁流变液16、耐磨层17、励磁线圈18、密封筒19、金属空心筒体20。通过改变磁流变阻尼器2的磁流变液16的通电量及磁通量以改变其黏度来改变U型调谐液柱阻尼器1的阻尼。
矩形调谐液体阻尼器部分
矩形调谐液体阻尼器部分包括：矩形调谐液体阻尼器8、可更换式带孔格栅6、步进式可伸缩杆7、液位计9、格栅架23、步进电机24。通过改变可更换式带孔格栅6与矩形调谐液体阻尼器8内部的液体的接触面积以改变矩形调谐液体阻尼器8的阻尼。
传感系统
传感系统包括：液位计9和流速计21。
驱动系统
驱动系统包括：电磁阀4、水泵3、第一管道51、第二管道52、步进电机24和步进式可伸缩杆7。第一管道51和第二管道52分别单向连通U型调谐液柱阻尼器1与所形调谐液体阻尼器8。其中，第一管道51通过水泵3将液体从矩形调谐液体阻尼器8中泵入U型调谐液柱阻尼器1，第二管道52在电磁阀4的控制下将液体从U型调谐液柱阻尼器1排入矩形调谐液体阻尼器8，通过驱动电磁阀4、水泵3、第一管道51和第二管道52自动实时调节U型调谐液柱阻尼器1内的水量来改变水中心线的总长度以重调谐自振频率。
阻尼系统
阻尼系统包括：磁流变阻尼器2和可更换式带孔格栅6。通过改变磁流变阻尼器2的磁流变液16的通电量及磁通量以改变其黏度来改变U型调谐液柱阻尼器1的阻尼，通过改变可更换式带孔格栅6与液体的接触面积以改变矩形调谐液体阻尼器8的阻尼。
微控器
微控器接受位移计26的信号及传感系统的信号，经过内置算法分析处理后，控制驱动系统进行结构的振动控制。数据的收集、传输、处理分析的具体方法不属于本发明所要解决的技术问题，且是属于本领域技术人员已知晓的现有技术，在此不再赘述。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (8)
1.一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统，其特征在于，包括：
U型调谐液柱阻尼器（1），具有水平管段、第一竖直管段和第二竖直管段，所述第一竖直管段和第二竖直管段分别位于所述水平管段的两端且各自与所述水平管段相通，所述水平管段中设有磁流变阻尼器（2），所述磁流变阻尼器（2）包括：密封筒（19）和沿所述密封筒（19）的中心轴设置的活动杆（13），所述活动杆（13）外包裹有金属空心筒体（20），所述金属空心筒体（20）的外侧环绕有励磁线圈（18），所述励磁线圈（18）利用所述活动杆（13）与外接电源导线（15）相连，所述密封筒（19）内存有磁流变液（16），所述活动杆（13）的一端从所述密封筒（19）的一端伸出至所述密封筒（19）的外部且通过固定螺丝（10）与第一活塞（11）连接，所述活动杆（13）的另一端上设有导向装置（12），所述活动杆（13）由所述导向装置（12）确定平动方向，第二活塞（11）通过焊接或螺栓连接至所述密封筒（19）的另一端，使得所述第一活塞（11）和第二活塞（11）可随所述活动杆（13）的移动沿所述水平管段平动且始终保持分隔、密封所述水平管段两侧的液柱；
矩形调谐液体阻尼器（8），包括：可更换式带孔格栅（6）、步进式可伸缩杆（7）和步进电机（24），所述步进电机（24）控制所述步进式可伸缩杆（7）的移动进而改变所述可更换式带孔格栅（6）与液体的接触面积；
第一管道（51），单向连通所述U型调谐液柱阻尼器（1）与所述矩形调谐液体阻尼器（8），所述第一管道（51）通过水泵（3）将液体从所述矩形调谐液体阻尼器（8）中泵入所述U型调谐液柱阻尼器（1）；
第二管道（52），单向连通所述U型调谐液柱阻尼器（1）与所述矩形调谐液体阻尼器（8），所述第二管道（52）在电磁阀（4）的控制下将液体从所述U型调谐液柱阻尼器（1）排入所述矩形调谐液体阻尼器（8）；
三个液位计（9），用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的总长度，所述三个液位计（9）分别设置在所述U型调谐液柱阻尼器（1）的第一竖直管段的底部、所述U型调谐液柱阻尼器（1）的第二竖直管段的底部和所述矩形调谐液体阻尼器（8）的底部；
流速计（21），设置在所述U型调谐液柱阻尼器（1）内，用于实时测量调谐液柱阻尼器内水中心线的流速；
位移计（26），通过螺栓固定在建筑结构上用于测量所述建筑结构的位移；以及
微控器（25），用于接受所述位移计（26）的信号及传感系统的信号，经过内置算法分析处理后，控制驱动系统进行半主动液体阻尼器系统的频率与阻尼比的调节；
其中：
所述液位计（9）和所述流速计（21）构成所述半主动液体阻尼器系统的所述传感系统；
所述电磁阀（4）、所述水泵（3）、所述第一管道（51）、所述第二管道（52）、所述步进电机（24）和所述步进式可伸缩杆（7）构成所述半主动液体阻尼器的所述驱动系统，通过驱动所述电磁阀（4）、水泵（3）、第一管道（51）和第二管道（52）自动实时调节所述U型调谐液柱阻尼器内的水量来改变水中心线的总长度以重调谐自振频率；
所述磁流变阻尼器（2）和所述可更换式带孔格栅（6）构成所述半主动液体阻尼器的阻尼系统，通过改变所述磁流变阻尼器（2）的所述磁流变液（16）的通电量及磁通量以改变其黏度来改变所述U型调谐液柱阻尼器（1）的阻尼，通过改变所述可更换式带孔格栅（6）与液体的接触面积以改变所述矩形调谐液体阻尼器（8）的阻尼。
2.如权利要求1所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述活动杆（13）伸出所述密封筒（19）处通过密封件（14）密封。
3.如权利要求1所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述励磁线圈（18）的外部涂有耐磨层（17）。
4.如权利要求3所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述耐磨层的（17）的厚度范围为5 cm~10 cm。
5.如权利要求1所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述矩形调谐液体阻尼器（8）还设有格栅架（23），所述可更换式带孔格栅（6）连接在所述格栅架（23）上。
6.如权利要求1或5所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述可更换式带孔格栅（6）的数量可为3~8个以组成格栅群。
7.如权利要求1或5所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述步进式可伸缩杆（7）包括：
步进式可伸缩上杆，通过螺栓固定连接在所述格栅架（23）的上端，所述步进式可伸缩上杆在所述步进电机（24）的控制下带动所述格栅架（23）上下移动；和/或
步进式可伸缩下杆，通过螺栓固定连接在所述格栅架（23）的下端，所述可更换式带孔格栅（6）通过固定螺栓（22）连接在所述步进式可伸缩下杆的下端处，所述步进式可伸缩下杆在所述步进电机（24）的控制下带动所述可更换式带孔格栅（6）上下移动。
8.如权利要求7所述的半主动液体阻尼器系统，其特征在于：所述步进式可伸缩杆（7）的可调节长度范围为0~3 m。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410007942.6A CN117587950A (zh) | 2024-01-03 | 2024-01-03 | 一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统 |
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|---|---|---|---|
| CN202410007942.6A CN117587950A (zh) | 2024-01-03 | 2024-01-03 | 一种可变频率与阻尼的半主动液体阻尼器系统 |
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| CN117587950A true CN117587950A (zh) | 2024-02-23 |
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Family Applications (1)
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