CN207314576U

CN207314576U - 低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器

Info

Publication number: CN207314576U
Application number: CN201721237581.6U
Authority: CN
Inventors: 陈鑫; 王浩; 李爱群; 周广东; 孙勇
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2027-09-26

Abstract

本实用新型公开了一种低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平向导杆、SMA弹簧、SMA芯、温控层和保护层；所述预压弹簧节点包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧。本实用新型旨在提供低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，利用SMA提供滞回恢复力和智能控制特性，利用负刚度原件实现TMD的长周期特性，具有长周期、控制频带宽、智能调节、占用空间小等特点。

Description

低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器

技术领域

本实用新型属于土木工程结构振动控制装置的技术领域，具体涉及低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器。

背景技术

振动控制技术已经越来越多地被用于土木工程结构动力灾变控制中，调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）是当前实际工程应用最多的阻尼器之一。通常TMD包含固体质量、弹簧和流体阻尼器，具有质量、刚度和阻尼，可通过改变质量或刚度调整子结构的频率，使其接近主结构的基本频率或激励频率，吸收振动过程中从主结构传来的能量，减小主结构的振动响应。

主流的线性TMD是一种窄带控制器，即仅能对其频率周围较小区域内的能量进行吸收，因此，对于风荷载等窄带激励引起的振动响应有较好的控制效果，而针对由地震等宽频带激励引起的响应控制效果较差，特别是涉及到多灾害共同作用时，线性TMD的控制效果更是难以令人满意。为了获得宽频带的TMD控制效果，一方面，可从设计角度进行鲁棒设计，另一方面，则可从装置本身出发进行改进。非线性TMD，又称为非线性吸振器（NonlinearVibration Absorber, NVA）或非线性能量阱（Nonlinear Energy Sink, NES），通常由阻尼单元、强非线性弹簧单元和质量单元组成。研究表明，非线性吸振器没有特定的固有频率，可以随主结构的多阶频率振动并且吸收能量，相比线性吸振器，它具有吸振频带宽、吸振效率高的优点。目前，土木领域现有研究中实现非线性回复力主要有两种方式：1）从弹簧单元构造出发，形成非线性弹簧，如：利用欧拉屈曲梁、采用金字塔形弹性体等；2）从质量单元运动轨迹出发，构造非线性运动轨道，如：大位移悬吊摆、弹簧摆、非线性滑动轨道等。已公开的一些非线性TMD多采用了这些原理，如基于非线性能量阱的两自由度吸振器（CN205134603 U）、基于非线性能量阱的三维复合摩擦摆隔震器（CN 103306316 A）等。而另一类，带有滞回弹簧的TMD，尽管理论上已被证明同样具有较宽的减振频带，但是相应实用装置的研发相对较少。

与此同时，用于柔性结构的TMD，尚需在工程实践中满足构造上的三个要求：长周期、有限空间和平面多方向。因此，本专利利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy, SMA）弹簧实现滞回恢复力曲线，利用负刚度元件、对称布置和滚动支座等构造满足上述要求，开发一种低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，为实现土木工程结构的滞回非线性TMD控制提供一种可行的智能装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于土木工程结构在宽频带动力灾害或多灾害作用下吸能减振的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，它有别于现有非线性TMD的理论和构造方式，利用SMA提供滞回恢复力和智能控制特性，利用负刚度原件实现TMD的长周期特性，具有长周期、控制频带宽、智能调节、占用空间小等特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，

所述外壳包括底板、加劲侧板、加劲上盖板、竖向加劲肋、侧板环向加劲肋、上盖板环形加劲肋和纵向加劲肋；

所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平导向杆、SMA弹簧，其中，SMA弹簧包括SMA芯、温控层和保护层；

所述预压弹簧单元包括万向铰节点、竖向导向杆和预压弹簧；

所述主结构与外壳通过锚栓牢固连接；

所述质量块底部设有环形限位块和永磁体，其中，环形限位块牢固连接于质量块底部，永磁铁同样固接于质量块底部；

所述质量块通过环形滑动支座与底板连接，其中，质量块与环形滑动支座之间通过滑动支座凹槽内的滚珠接触连接；

所述质量块侧面通过SMA弹簧单元与加劲侧板连接，顶部通过预压弹簧单元与加劲上盖板连接，其中，SMA弹簧单元通过水平铰节点与加劲侧板连接，预压弹簧单元通过万向铰节点与加劲上盖板连接；

所述SMA弹簧单元通过水平铰节点连接于质量块和外壳；

所述预压弹簧单元通过万向铰节点与质量块和外壳连接；

所述上盖板环形加劲肋、纵向加劲肋与加劲上盖板以焊接方式连接；

所述竖向加劲肋、侧板环向加劲肋与加劲侧板以焊接方式连接；

所述铜板固定于底板表面。

进一步的，所述水平导向杆和竖向导向杆采用高强度合金空心导杆，外表面镀硬铬。

进一步的，所述SMA芯为螺旋状形状记忆合金。

进一步的，所述SMA芯为螺旋状NiTi合金。

主要工作原理是：

质量块提供质量，SMA弹簧单元提供智能可调的非线性刚度，SMA弹簧单元提供滞回耗能，永磁铁和铜板提供电涡流阻尼，两者共同提供TMD必须的阻尼。当结构受风荷载、地震作用等动力荷载发生振动时，在惯性力的作用下，质量块发生往复运动；从而带动SMA弹簧拉伸、压缩，当变形较大时SMA发生马氏体相变，变形较小时SMA发生马氏体逆相变，所有SMA弹簧单元共同工作，在质量块往复运动时提供了滞回非线性刚度和阻尼；通过调节SMA弹簧温控层的温度，结合预先设置于结构内的传感器，可智能调节非线性刚度的特性，实现智能控制；与质量块连接的永磁铁与铜板之间发生往复运动，形成了电涡流耗能，耗散部分振动能量。通过非线性振子的靶向能量传递，振动能量由主结构传递至TMD，再由SMA滞回阻尼和电涡流阻尼耗散能量，以此抑制主体结构的振动响应，保护主体结构在地震、风荷载等动力灾害作用下的安全。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：

本实用新型的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器具有周期长、控制频带宽、智能调节、占用空间小等优点。作为一种振动控制装置，本实用新型能够有效控制结构在动力荷载作用下的响应，保护主体结构，同时，利用SMA弹簧实现区别于立方刚度弹簧的滞回恢复力曲线，并由SMA自身特性实现耐疲劳要求；采用竖向预压弹簧作为负刚度元件，与SMA弹簧的正刚度叠加，共同实现TMD的长周期特性，解决当前应用较多的悬吊摆需要较大安装空间的问题；通过对称布置SMA弹簧、竖向布置预压弹簧，实现装置性能的平面多方向性，从而对各向动力荷载均有较好的抑制作用；环形滑动支座的槽内安装滚珠，使质量块能够自由水平滑动，必要时，质量块底部设置永磁铁与铜板，提供一定的电涡流阻尼。

附图说明

图1是本实用新型的纵向剖面示意图。

图2是本实用新型的1-1剖面构造示意图。

图3是本实用新型的2-2剖面构造示意图。

图4是本实用新型的3-3剖面构造示意图。

图5是本实用新型的4-4剖面构造示意图。

图6是本实用新型的平面俯视图。

图7是本实用新型SMA弹簧的断面结构示意图。

图中：1、主结构；2、外壳；3、SMA弹簧单元；4、质量块；5、预压弹簧单元；6、环形滑动支座；7、环形限位块；8、永磁铁；9、铜板；21、底板；22、加劲侧板；23、加劲上盖板；24、竖向加劲肋；25、侧板环向加劲肋；26、上盖板环形加劲肋；27、纵向加劲肋；31、水平铰节点；32、水平导向杆；33、SMA弹簧；34、SMA芯；35、温控层；36、保护层；51、万向铰节点；52、竖向导向杆；53、预压弹簧。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本实用新型，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如改变其中SMA弹簧单元的主材为磁性形状记忆合金等其他具备类似特性的智能材料，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性，这些修改和替换均落入本实用新型的保护范围内。

如图1、2、3、4、5、6和7所示，低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，包括主结构1、外壳2、SMA弹簧单元3、质量块4、预压弹簧单元5、环形滑动支座6、环形限位块7、永磁铁8和铜板9，其中，所述外壳2包括底板21、加劲侧板22、加劲上盖板23、竖向加劲肋24、侧板环向加劲肋25、上盖板环形加劲肋26和纵向加劲肋27；所述SMA弹簧单元3包括水平铰节点31、水平导向杆32、SMA弹簧33，其中，SMA弹簧33包括SMA芯34、温控层35和保护层36；所述预压弹簧单元5包括万向铰节点51、竖向导向杆52和预压弹簧53，其中，所述预压弹簧53采用普通弹簧，但在TMD初始状态保持预受压状态，从而在质量块4平动时提供负刚度；所述主结构1与外壳2通过锚栓牢固连接；所述质量块4底部设有环形限位块7和永磁体8，其中，环形限位块7牢固连接于质量块4底部，限制质量块4过大的相对位移，永磁铁8同样固接于质量块4底部，与铜板9构成电涡流耗能单元，能够提供一定的阻尼；所述质量块4通过环形滑动支座6与底板21连接，其中，质量块4与环形滑动支座6之间通过滑动支座凹槽内的滚珠接触连接，可沿水平向自由滑动；所述质量块4侧面通过SMA弹簧单元3与加劲侧板22连接，顶部通过预压弹簧单元5与加劲上盖板23连接，其中，SMA弹簧单元5通过水平铰节点31与加劲侧板22连接，预压弹簧单元5通过万向铰节点51与加劲上盖板23连接；所述SMA弹簧单元3通过水平铰节点31连接与质量块4和外壳2，使质量块4能够在水平方向任意转动；所述预压弹簧单元5通过万向铰节点51与质量块4和外壳2连接，使质量块4能够一定的角度内的所有方向转动；所述上盖板环形加劲肋26、纵向加劲肋27与加劲上盖板23以焊接方式连接；所述竖向加劲肋24、侧板环向加劲肋25与加劲侧板22以焊接方式连接，竖向加劲肋24与侧板环向加劲肋25的交点和SMA弹簧单元3与加劲侧板22连接处对应，纵向加劲肋27与上盖板环向加劲肋26交汇于预压弹簧单元5与加劲上盖板23连接处，各个加劲肋为外壳2提供了足够的刚度和强度，保证外壳2与主结构1的共同工作；所述铜板9固定于底板21表面；所述水平导向杆32和竖向导向杆52采用高强度合金空心导杆，外表面镀硬铬，能够增强其强度、耐磨性和抗腐蚀能力；所述SMA芯34为螺旋状形状记忆合金，可以是NiTi合金或其他记忆合金，提供非线性刚度和滞回耗能。

如图7所示，温控层35采用通电线圈的方式提供可控温度场；保护层36一方面保持内部温度，另一方面保护内部的温控层35和SMA芯34不受外界环境侵蚀，增强耐久性。

本实用新型阻尼器的制作步骤：

（1）对结构进行分析，计算出所需要的TMD参数，据此确定阻尼器的尺寸及各部件的参数；（2）加工SMA芯34，在其外面套上包裹温控层35，最后在温控层35外套上保护层36，组装成SMA弹簧33，在SMA弹簧33内套上水平导向杆32，SMA弹簧33两端分别与水平导向杆32两端的端板牢固连接，端板与水平铰节点31一起铸造，形成整体；

（3）制作预压弹簧53，在其内套上竖向导向杆52，预压弹簧53两端分别与竖向导杆52两端的端板牢固连接，端板与万向铰节点51一起铸造，形成整体，根据设计结果，对预压弹簧53施加预压变形，此时将竖向导杆52两端的端板通过临时装配拉索连接，保持预压弹簧53的预压变形；

（4）加工质量块4，将环形限位块7和永磁铁8固定于质量块4底部；

（5）制作外壳2的底板21，将环形滑动支座6固定于底板21上表面，利用锚栓将底板21固定于主结构1，利用焊接连接或螺栓连接将加劲侧板22与底板21连接，在环形滑动支座6的凹槽内放入滚珠，而后将质量块4放置其上，并对中；

（6）在质量块4和加劲侧板22之间安装SMA弹簧单元3，在质量块4上表面安装预压弹簧单元5，盖上加劲上盖板23，拧紧预压弹簧单元5上端与加劲上盖板23连接的螺栓，并通过螺栓或焊接连接将加劲上盖板23与加劲侧板22牢固连接。

Claims

1.低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，包括主结构、外壳、SMA弹簧单元、质量块、预压弹簧单元、环形滑动支座、环形限位块、永磁铁和铜板，其中，

所述SMA弹簧单元包括水平铰节点、水平导向杆、SMA弹簧、SMA芯、温控层和保护层；

所述主结构与外壳通过锚栓牢固连接；

所述质量块底部设有环形限位块和永磁体，其中，环形限位块牢固连接于质量块底部，永磁铁固接于质量块底部；

所述SMA弹簧单元通过水平铰节点连接于质量块和外壳；

所述预压弹簧单元通过万向铰节点与质量块和外壳连接；

所述铜板固定于底板表面。

2.根据权利要求1所述的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，所述水平导向杆和竖向导向杆采用高强度合金空心导杆，外表面镀硬铬。

3.根据权利要求1所述的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，所述SMA芯为螺旋状形状记忆合金。

4.根据权利要求1所述的低频形状记忆合金智能非线性调谐质量阻尼器，其特征在于，所述SMA芯为螺旋状NiTi合金。