瞬态动能吸收池及其实现方法和用途与流程

本发明涉及振动控制领域，具体地，涉及瞬态动能吸收池及其实现方法和用途。

背景技术：

动力吸振器最早出现于1909年，与隔振器相比，动力吸振器的优点在于其可以实现小型轻量化设计、对被控对象原结构破坏小、而同时又具有杰出的制振性能，其在机械振动抑制、建筑制振等领域具有广阔的应用范围。动力吸振器是广泛应用于工程实践中的一种减振技术。其通过在被控主振系的特定部位附加一个具有质量和刚度的子系统即动力吸振器，通过合理地选择动力吸振器的动力参数、结构形式及与主振系的耦合关系，从而改变主振系的振动状态，使能量重新分配，即将主振系上的振动能量转移到动力吸振器上，从而减少或消除主振系的振动。对于通常可以简化为单自由度质量弹簧系统的动力吸振器而言，就是要将附加子系统的质量和刚度调谐至其固有频率与主振系激励频率相同，从而引起动力吸振器发生反共振，使被控主振系的振动能量最大程度地输入到动力吸振器上，达到对被控主振系减振的目的。由于动力吸振器结构简单、减振效果明显、易于实施，因此在工程实践中得到了广泛应用。

动力吸振器最早的工程应用见于1909年Frahm在德国邮船上安装的防振水箱，但是当时并没有明确它的基本构造和原理。1928年J.Ormondroyd和Den Hartog通过对单自由度振动系统的研究，提出了利用动力吸振器的阻尼作用降低主振动系统振幅的动力吸振器设计思想，确定了最优阻尼的存在，建立了动力调谐原理。在此基础上，Hahnkamm利用振幅曲线上存在两个不受阻尼大小影响的定点现象，推导出了动力吸振器的最优同调频率。随后，Brock于1946年推导出了最优阻尼的关系，形成了完整的关于传统的动力吸振器的理论体系。从上世纪中后期开始，人们的研究重点主要是在传统吸振器的基础上，通过改变结构特点、利用特殊材料等来不断寻求适合当今技术发展要求的动力吸振技术。比如，多重动力吸振器、利用记忆合金和磁流变体等智能材料设计的新型吸振器。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种瞬态动能吸收池及其实现方法和用途。

根据本发明提供的一种瞬态动能吸收池，包括动力吸振子单元；

所述动力吸振子单元通过主动改变自身刚度和/或质量来动态调节固有频率，以进行吸振或者使振动增大进而引导瞬态动能。

优选地，所述动力吸振子单元包括吸振池结构体1、运动质量体3、发电部件5、运动导向部件8；所述动力吸振子单元还包括弹性连接介质4或者转动连接介质；

运动质量体3通过弹性连接介质4或者转动连接介质安装在吸振池结构体1中；

吸振池结构体1中还安装有发电部件5、运动导向部件8；

运动质量体3沿运动导向部件8运动；

发电部件5受运动质量体3的激励进行发电。

优选地，所述动力吸振子单元包括主动能量加载器2；

主动能力加载器2驱动运动质量体3运动或者激励弹性连接介质4形变，以改变所述动力吸振子单元的刚度；

主动能力加载器2设置在吸振池结构体1的内部和/或外部。

优选地，所述动力吸振子单元包括主动质量加载器7：

主动质量加载器7连接运动质量体3，向运动质量体3加载质量，以改变所述动力吸振子单元的质量。

优选地，动力吸振子单元的数量为：

-动力吸振子单元的数量为一个；或者

-动力吸振子单元的数量为多个，多个动力吸振子单元之间紧固连接排布为阵列；其中，多个动力吸振子单元中运动质量体3的运动方向全部相同、部分相同、均不相同，或者多个动力吸振子单元中运动质量体3随机分布。

优选地，吸振池结构体1包括框架；

运动质量体3采用磁体；磁体为永磁体、铁磁体、电磁体中的任一种或者任多种的组合；

弹性连接介质4采用弹簧、缆绳、网格体、线团体、片体、柱体、记忆合金体、橡胶体、气体囊或者液体囊；

发电部件5采用发电电磁线圈、压电陶瓷片或者磁电转化材料体；

运动导向部件8形成运动通道，运动质量体3被限制在运动通道内，沿运动通道的延伸方向运动；

其中，发电电磁线圈套设在运动通道外，压电陶瓷片连接在弹性连接介质与框架之间，磁电转化材料体连接在弹性连接介质与框架之间。

优选地，所述主动能量加载器2包括激励电磁线圈、热源、光源、液源或者气源；其中，激励电磁线圈设置在吸振池结构体1的外部或者内部。

优选地，所述主动质量加载器7包括附加质量体容纳腔、附加质量体输送管道；

附加质量体容纳腔连接运动质量体3，或者运动质量体3内部的空腔形成附加质量体容纳腔；

附加质量体输送管道由吸振池结构体1的外部延伸连通至附加质量体容纳腔；

附加质量体输送管道为颗粒输送管道、粉末输送管道、气体输送管道或者液体输送管道。

根据本发明提供的一种瞬态动能吸收的实现方法，基于上述的瞬态动能吸收池，针对瞬态动能吸收池所受到的冲击激励，将冲击激励分解为多个谐波分量的线形叠加；

根据谐波分量的频率，调节一个或多个动力吸振子单元的固有频率，使动力吸振子单元的固有频率匹配对应于频率相同的谐波分量的频率，以进行共振来吸振或者使振动增大以引导瞬态动能。

根据本发明提供的一种上述的瞬态动能吸收池的用途或控制方法，包括如下任一种方式：

-通过主动改变所述瞬态动能吸收池中一个或多个动力吸振子单元中运动质量体的位置，来改变所述瞬态动能吸收池整体的质心，从而作为质心调整装置；

-通过在一时间段内对所述瞬态动能吸收池中一个或多个动力吸振子单元中运动质量体进行驱动，然后瞬时停止驱动，使所述瞬态动能吸收池因相对于吸振池结构体的弹性势能得到弹性力或者惯性势能得到惯性力而发生位置，从而作为惯性驱动移动体；

-通过所述瞬态动能吸收池将瞬态动能进行发电，从而作为转化动能到电能的发电装置，其中，发电是通过分散的作为运动质量体的永磁体激励发电线圈生成电能的，其中，这些分散的永磁体分别位于多个动力吸振子中；或者

-通过将多个所述瞬态动能吸收池，分布在框架体中，使得减弱或者避免框架体发生振动，从而作为减振装置或者避振装置，并作为发电装置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对谐波激励或非线性激励，如冲击激励工况下，可以通过动态调节系统(每一个动力吸振子单元的刚度或质量)，而获得与激励特征频率最佳匹配固有频率，而达到最优主动或自适应动力吸振效能。本发明能够应用于定向吸振或者振动导引装置，自行走装置和质心调整装置等领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的瞬态动能吸收池的结构示意图。

图2为本发明提供的瞬态动能吸收池的结构示意图，其中，存在相互反向放置的动力吸振子单元。

图3为本发明提供的瞬态动能吸收池的吸振原理示意图。

图4为本发明应用于框架建筑的柱和梁中作为减振装置或者避振装置的示意图。

图中：

100-瞬态动能吸收池

1-吸振池结构体

2-主动能量加载器

3-运动质量体

4-弹性连接介质

5-发电部件

6-外部磁体

7-主动质量加载器

8-运动导向部件

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种瞬态动能吸收池，包括动力吸振子单元；

所述动力吸振子单元通过主动改变自身刚度和/或质量来动态调节固有频率，以进行吸振或者使振动增大进而引导瞬态动能。

进一步地，所述动力吸振子单元包括吸振池结构体1、运动质量体3、发电部件5、运动导向部件8；所述动力吸振子单元还包括弹性连接介质4或者转动连接介质；

运动质量体3通过弹性连接介质4或者转动连接介质安装在吸振池结构体1中；

吸振池结构体1中还安装有发电部件5、运动导向部件8；

运动质量体3沿运动导向部件8运动；

发电部件5受运动质量体3的激励进行发电。

进一步地，所述动力吸振子单元包括主动能量加载器2；

主动能力加载器2驱动运动质量体3运动或者激励弹性连接介质4形变，以改变所述动力吸振子单元的刚度；

主动能力加载器2设置在吸振池结构体1的内部和/或外部。

主动能力加载器2是能将电、电磁、热源、光源、气源等能将一种能量转化为运动质量体3沿弹性连接介质4伸缩方向产生运动位移机械能的装置器件或材料体。

进一步地，所述动力吸振子单元包括主动质量加载器7：

主动质量加载器7连接运动质量体3，向运动质量体3加载质量，以改变所述动力吸振子单元的质量。

进一步地，动力吸振子单元的数量为：

-动力吸振子单元的数量为一个；或者

-动力吸振子单元的数量为多个，多个动力吸振子单元之间紧固连接排布为阵列；其中，多个动力吸振子单元中运动质量体3的运动方向全部相同、部分相同或者均不相同，或者多个动力吸振子单元随机分布。

其中，多个不同刚度的动力吸振子单元刚性连接组合后，能够得到多种刚度叠加的瞬态动能吸收池，即多种固有频率叠加的瞬态动能吸收池，从而可以与由非线性、非谐波冲击转化得到的多种谐波激励相匹配。单个动力吸振子单元也可以构成瞬态动能吸收池，其效果针对单一谐波激励效果佳，或单一变频激励做频率跟踪，其他如冲击等有效果。运动质量体3的运动方向存在不相同时，可以实现多维的吸振。阵列为点线面体一个以上任意组合；可以是圆形、方形、环形等根据实际被控对象而由动力吸振子单元组合成对应整体结构。

进一步地，吸振池结构体1包括框架；

运动质量体3采用磁体；磁体为永磁体、铁磁体、电磁体中的任一种或者任多种的组合；

弹性连接介质4采用弹簧、缆绳、网格体、线团体、片体、柱体、记忆合金体、橡胶体、气体囊或者液体囊；

发电部件5采用发电电磁线圈、压电陶瓷片或者磁电转化体；

运动导向部件8形成运动通道，运动质量体3被限制在运动通道内，沿运动通道的延伸方向运动；

其中，发电电磁线圈套设在运动通道外，压电陶瓷片连接在弹性连接介质与框架之间，磁电转化体连接在弹性连接介质与框架之间。

对瞬态动能吸收池整体而言，单永磁体被分散成多个永磁体阵列，而由一个大永磁励磁改为多个小永磁体励磁，有助于优化永磁能，进行永磁能释放而更高效转化为电能。

进一步地，所述主动能量加载器2包括激励电磁线圈、热源、光源、液源或者气源；其中，激励电磁线圈设置在吸振池结构体1的外部或者内部。例如，激励电磁线圈设置在吸振池结构体1的外部，构成外置主动能量加载器，如运动质量体靠近时，激励电磁线圈与可为永磁体的运动质量体通过反极性斥力进行相互作用(外置主动能量加载器，如永磁铁移动过程结束后，可以位置可锁定，而不再通电是保持斥力作用)；外置主动能量加载器也可以是电磁体，还可以是可充气气囊，通过气囊的膨胀程度而推动运动质量体的效果。

进一步地，所述主动质量加载器7包括附加质量体容纳腔、附加质量体输送管道；

附加质量体容纳腔连接运动质量体3，或者运动质量体3内部的空腔形成附加质量体容纳腔；

附加质量体输送管道由吸振池结构体1的外部延伸连通至附加质量体容纳腔；

附加质量体输送管道为颗粒输送管道、粉末输送管道、气体输送管道或者液体输送管道。

运动质量体3可采用能够转动的永磁体，永磁体转动一端安装附加质量体容纳腔，或偏心永磁体设置而等效一个质量体。运动质量体3的磁驱方式可为：电磁线圈，或永磁体被驱动位移定位限位，作为电磁弹性K改变的手段。每一个动力吸振子单元中加电磁感应线圈，瞬态电磁阻尼耗能和迅速将机械能转化为电能。气体或液体可通过泵阀装置在线通过管道加载调整。

根据本发明提供的一种瞬态动能吸收池的控制方法，针对瞬态动能吸收池所受到的冲击激励，将冲击激励分解为多个谐波分量的线形叠加；

根据谐波分量的频率，调节一个或多个动力吸振子单元的固有频率，使动力吸振子单元的固有频率匹配对应于频率相同的谐波分量的频率，以进行共振来吸振或者使振动增大以引导瞬态动能。

任何一个谐波干扰激励或一次以上非谐波、非线性激励如冲击激励，可等效为多个谐波分量的线性叠加，即任何波形都是可以用谐波波叠加起来得到的。因此，对于类如冲击激励等非线性波形激励，都可以转化为多个具有不同频率分量的谐波干扰激励，或分解成若干频率不变能量衰减的干扰激励。

基于动力吸振的原理，我们可以针对每一个分解或变化出来的可叠加谐波分量，对应动态调整一个动力吸振子单元。该动力吸振子单元的固有频率可以通过在线驱动控制的方式改变其刚度k或质量m，从而改变动力吸振子单元的固有频率，从而跟踪匹配对应的一个或多个频率相同的正弦谐波干扰分量，进而对该干扰分量进行基于共振——动力吸振原理的能量最大化吸收。其中，每个动力吸振子单元均可以感应发电，并且是共振能量的发电，实现发电和外部激励能的最佳转化。例如，通过瞬态动能全吸收池，将所有吸收能量(阵列中局部动力吸振子单元共振)全部转化为电能，又例如在不同方向上的吸振子微调其永磁体位移改变磁吸力——即磁弹性，以等效瞬时K，而对多频、多维瞬态动能进行吸收。

其中，可以利用自动跟踪算法对应动态调整一个动力吸振子单元：基于最大耗能(最多动力吸振单元的共振/吸振状态)，瞬态电流的更大值作为中间组合加权最大值，为判据；在瞬态动能吸收池上加装加速度传感器，以池体结构整体被移动能最小，加速度最小为判据；辨识或瞬态权值或参数调整；一次冲击后迅速调整，然后逐次迭代寻优，以最佳池态对应后续冲击，以最佳吸能实现动能到电能的转化。

不同初始或经过在线控制后行的被压缩状态；由于不同压缩程度，弹性介质此种状态下的刚度变化了，从而对应的振子的固有频率变化，即可跟踪上对应的跟踪频率；这种压缩状态可以由主动能量加载器、主动质量加载器调整，使不同吸振子的刚度值任意串并联组合，而形成一个最佳的刚度值，及系统固有频率(综合效果，系统冲击后，其接收的振动或瞬态动能能量是否最大化被振子吸收，而表现为整个装置的运动响应(整体移动为最小)，可用于进行控制算法的判断标准。

另外，可以从相反的角度考虑，调整刚度，使振动更大，而形成一个人为振动或冲击传递通道，而实现振动或瞬态动能导引。

进一步地，本发明还提供所述的瞬态动能吸收池的用途或控制方法，包括如下任一种方式：

-通过主动改变所述瞬态动能吸收池中一个或多个动力吸振子单元中运动质量体的位置，来改变所述瞬态动能吸收池整体的质心，从而作为质心调整装置；

-通过在一时间段内对所述瞬态动能吸收池中一个或多个动力吸振子单元中运动质量体进行驱动，然后瞬时停止驱动，使所述瞬态动能吸收池因相对于吸振池结构体的弹性势能得到弹性力或者惯性势能得到惯性力而发生位置，从而作为惯性驱动移动体；

-通过所述瞬态动能吸收池将瞬态动能进行发电，从而作为转化动能到电能的发电装置，其中，发电是通过分散的作为运动质量体的永磁体激励发电线圈生成电能的，其中，这些分散的永磁体分别位于多个动力吸振子中；关于分散的永磁体：通过将单个永磁体分散成具有多个永磁体的阵列，即由一个大永磁励磁替代为多个小永磁体励磁，有助于优化永磁能，进行永磁能释放而更高效转化为电能；

-通过将多个所述瞬态动能吸收池，分布在框架体中，使得减弱或者避免框架体发生振动，从而作为减振装置或者避振装置，并作为发电装置。例如，如图4所示，可以将瞬态动能吸收池紧固连接在框架建筑的柱、梁、壁等主体承重构件上，以达到减震装置或、避震装置的作用，从而保护建筑结构，并且同时还可以起到发电装置的作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。