一种自变频调谐质量阻尼器及自变频方法与流程

本发明涉及土木工程技术领域，尤其是涉及一种自变频调谐质量阻尼器及自变频方法。

背景技术：

在当今社会，振动引起的结构安全和舒适度问题日益引起人们的重视。调谐质量阻尼器因为有对原建筑结构改动小、减振效果明显等优点而被广泛关注，并在国内外的建筑结构中都有许多应用，如台北101大厦、上海中心等。

传统的调谐质量阻尼器具有对频率调谐敏感的缺点，不仅建筑结构的自身损伤等会影响调谐质量阻尼器的减振效果，其自身的特性，如粘滞阻尼器的退化、弹簧的锈蚀或当建筑结构的某一构件作为调谐质量阻尼器的质量时质量的变化也会影响其控制效果。同时，设计时结构的自振频率估计值与其实际自振频率可能存在差异。因此，如何实现调谐质量阻尼器的自适应控制，使其能实时调节自身频率与结构的频率相近，以达到良好的减振效果，是一个新的很有意义的研究方向。

技术实现要素：

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质量可调节、能耗小、结构简化、无需外部能源、避免摩擦、减震效果好的自变频调谐质量阻尼器及自变频方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电涡流自变频调谐质量阻尼器，设置在建筑主结构上，通过调谐频率实现减振，该阻尼器包括阻尼器本体以及质量调节组件，所述的阻尼器本体包括弹簧、与弹簧上端连接的固定质量块、与弹簧下端连接的供调节质量块以及设置在弹簧内部的永磁体棒，所述的永磁体棒上端分别依次穿过固定质量块和可变质量块中央的永磁体棒槽道并通过螺母固定，下端伸入到开设于供调节质量块中心的电磁槽内，并且与设置在电磁槽内的导体板相对感应设置，所述的质量调节组件包括单片机、设置在可变质量块顶部的第一加速度传感器、设置在主结构上的第二加速度传感器以及分别与固定质量块和供调节质量块连接的质量驱动单元，所述的第一加速度传感器、第二加速度传感器和质量驱动单元分别与单片机通信。

所述的单片机为STC、PIC或ATMEL单片机。

所述的质量调节组件还包括分别与单片机连接的供电电源，所述的供电电源为电池或220V直流电源。

所述的单片机上还设有开关和USB接口。

所述的质量驱动单元包括电磁阀和砂石泵。

一种自变频调谐质量阻尼器的自变频方法，包括以下步骤：

1)通过第一加速度传感器和第二加速度传感器分别实时获取阻尼器本体的加速度值s₁(τ)和主结构的加速度值s₂(τ)，并获取对应的傅里叶频谱，即：

其中，S_t1(w)为阻尼器本体的傅里叶频谱，S_t2(w)为主结构的傅里叶频谱，w为积分变量，τ为瞬时时刻，h(τ-t)为窗函数；

2)在每段设定的时间间隔t内，根据加速度值和傅里叶频谱获取阻尼器本体的计算频率w_t1和主结构的计算频率w_t2：

3)分别判断每段时间间隔内的阻尼器本体的计算频率w_t1和主结构的计算频率w_t2的结果是否有效，若有效，记录对应的计算频率值并计数，并进行步骤4)，若无效，则舍去，并返回步骤2)；

4)当阻尼器本体的计算频率w_t1和主结构的计算频率w_t2的有效结果计数分别达到设定的计数阈值n时，计算可变质量块中需要调整的质量值Δm；

5)质量驱动单元根据需要调整的质量值Δm，加入或抽出相应的质量，调整可变质量块的质量，完成阻尼器频率的调节。

所述的步骤3)中，判断计算频率是否有效的方法为：

设定频率有效阈值w₀和有效范围(0.8w₀,1.2w₀)，若阻尼器本体的计算频率w_t1和主结构的计算频率w_t2值处于有效范围内，则判定该次计算的计算频率值有效。

需要调整的质量值Δm计算式为：

Δw＝w₁-w₂

其中，k为刚度值，Δw为频率差值，w₁、w₂分别为阻尼器本体和主结构的有效计算频率平均值，w_t1i、w_t2i分别为阻尼器本体和主结构的第i次有效的计算频率。

当频率差值Δw为正数时，则启动质量驱动单元向可变质量块中加入Δm的质量，当频率差值Δw为负数时，则启动质量驱动单元从可变质量块中抽出Δm的质量。

窗函数为矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗或高斯窗。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、质量可调节、能耗小：本发明的电涡流自变频调谐质量阻尼器，可变质量块和供调节质量块的质量可通过伺服控制组件进行精确调节，且无须实时调节，仅在选定时段进行即可，所需供电量小，能够精确调节调谐质量阻尼器频率与主结构频率相同。

二、结构简化、无需外部能源：本发明能简化结构的抗风和抗震的分析设计，采用永磁体棒-导体板的阻尼装置提供阻尼力，改善了传统黏滞阻尼器的缺陷，又无需外界提供能源。

三、避免摩擦、减震效果好：永磁体棒与导体板之间存在一定的间隔，无摩擦阻尼和磨损，实现刚度与阻尼的分离，耐久性好，达到良好的减振效果，同时又具有安装简单、操作便捷的优点。

附图说明

图1为电涡流自变频调谐质量阻尼器的结构主视图。

图2为电涡流自变频调谐质量阻尼器的结构俯视图。

图3为图2中A-A剖面图。

图4为质量调节组件的结构示意图。

图5为本发明的方法流程图。

其中，1、可变质量块，2、固定质量块，3、弹簧，4、永磁体棒，5、永磁体棒槽道，6、单片机，7、质量驱动单元，71、第一驱动器，72、第二驱动器，8、第一加速度传感器，9、第二加速度传感器，10、供调节质量块，11、导体板，12、螺母，13、质量调节组件，14、电磁槽，15、主结构，16、供电电源，17、开关，18、USB传感器。

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。

实施例：

如图1-3所示，本发明提供一种自变频调谐质量阻尼器，该阻尼器由固定质量块2、可变质量块1、永磁体棒4、电磁槽14、导体板11、弹簧3、供调节质量块10及质量调节组件13组成，其中：

弹簧3的底端与供调节质量块10的顶部相连接，弹簧3的顶端与固定质量块2的底部相连接，可变质量块1固定设置于固定质量块2的顶部，可变质量块1和固定质量块2的中心均开有永磁体棒槽道5。

电磁槽14位于供调节质量块10的顶面中心处，永磁体棒4的上端用螺母12固定于可变质量块1的顶部，穿过永磁体棒槽道5后，下端插入电磁槽14内，可变质量块1与固定质量块2发生竖向振动时，永磁体棒4与设置于电磁槽14内的导体板11感应产生电涡流，通过导体板11发热耗能。

如图4所示，本发明的质量调节组件13包括第一加速度传感器8、第二加速度传感器9、单片机6、供电电源16、质量驱动单元7(包括第一驱动器71、第二驱动器72)、开关17和USB接口18。

单片机6内置的自变频方法可于PC机上编译完成，由USB接口18烧录入单片机6。

如图5所示，本发明的自变频方法可根据第一加速度传感器8和第二加速度传感器9的信号精确识别出主结构和调谐质量阻尼器的频率，然后启动第一驱动器71或第二驱动器72来实现一次性调节调谐质量阻尼器自身频率与主结构频率相同，自变频方法可控制的调谐质量阻尼器参数有摆长、质量和刚度等。

自变频方法具体包括以下步骤：

1)设置每段计算时间的时间间隔t、限定值w₀、有效结果总数n和刚度值k。

2)根据需求选取窗函数，可为矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗或者高斯窗等，记为h(τ)。τ为瞬时时刻。

3)第一加速度传感器和第二加速度传感器分别实时获取阻尼器本体和主结构的加速度值，分别记为s₁(τ)和s₂(τ)。

4)每段时间内，阻尼器本体和主结构的傅里叶频谱分别为：

5)每段时间内，阻尼器本体和主结构的计算频率分别为：

6)判断每次计算所得的w_t1和w_t2，若满足位于区间(0.8w₀,1.2w₀)，则本次计算结果有效；若不满足，则舍去本次计算结果。w_t1和w_t2是否满足要求为相互独立事件。

7)循环上述步骤3)至6)，若w_t1的有效计算结果总数达到i，则停止计算w_t1；若w_t2的有效计算结果总数达到n，则停止计算w_t1。当w_t1和w_t2的有效计算结果总数均达到i时，循环终止。

8)阻尼器本体和主结构的频率由相应的有效计算结果叠加后求平均值确定：

9)计算频率差值Δw＝w₁-w₂和调整质量值

10)若频率差值Δw为正数，则启动质量驱动单元7往可变质量块1中加入Δm的质量；若频率差值Δw为负数，则启动质量驱动单元7从可变质量块1中抽出Δm的质量。

本发明的自变频方法是基于傅里叶变换完成的，可为快速傅里叶变换或者短时傅里叶变换等。

质量调节组件13并不是实时启动，而是在需要进行调节的时段启动。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。