非线性质量阻尼器的制作方法

本实用新型涉及结构振动控制技术领域，具体地，涉及一种非线性质量阻尼器。

背景技术：

结构振动控制是指通过在主体结构上附加控制装置或改变主体结构特性(如改变结构刚度、阻尼等)等方法以减小结构振动和加速能量消耗的一种技术，现有技术中，调谐质量阻尼器(tuned mass damper，简称TMD)是一种附加于主体结构上的结构控制装置。

TMD由附加质量、弹簧部件和阻尼部件组成(见附图1)，附加质量通过弹簧部件和阻尼部件与主体结构相连接，TMD一般置于主体结构振动较大处，附加质量相对主体结构质量较小，当TMD的自振频率与主体结构主要自振频率相调谐时(当确定TMD附加质量后，可通过调节弹簧部件的刚度达到所需自振频率)，两者形成共振机制，TMD剧烈振动加速能量消耗，主体结构的振动迅速减小。

在建筑结构中，TMD广泛应用于高层楼房，如上海金茂大厦、上海环球金融中心、台北101大楼等，常用于减小结构在风荷载和地震作用下的响应，以达到提高结构安全性和舒适度的目的。

除直接使用弹簧类构件外，TMD中弹簧部件还可使用摆锤等实现，目的均为提供一定大小的线弹性刚度，使TMD自振频率达到设计要求。

TMD中弹簧部件的刚度不变，当TMD附加质量和弹簧刚度确定后，TMD只有一个自振频率，且该自振频率不变，但事实上各类被控主体结构是一个时变体系，如建筑物的质量有可能随使用功能的变化而变化，建筑物沉降和温度变化有可能改变结构刚度，结构刚度亦可能因为非结构构件的加入而增大或因为结构损伤而减小，导致主体结构自振频率发生变化，在这种情况下，TMD自振频率与主体结构自振频率失谐，无法形成有效的共振机制，TMD消能减振能力退化，严重时甚至有可能放大主体结构的响应。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种可以灵活调控非线性方式和非线性程度的非线性质量阻尼器。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种非线性质量阻尼器，包括主体结构，主体结构上垂直固定有至少一条在竖直平面内的轨道，还包括可沿轨道运动的附加质量，轨道在延伸方向呈曲线设置。

进一步地，轨道在与附加质量接触的表面设有凹槽，附加质量包括质量本体和设于质量本体上且可嵌入凹槽内沿凹槽延伸方向活动的滑动件。

更进一步地，滑动件为轴承或滚轮。

进一步地，轨道在延伸方向呈对称的弧形设置。

进一步地，轨道数量为偶数，偶数条轨道对称分布在两条直线上，附加质量上的滑动件与轨道一一对应。

优选地，轨道数量为四条。

更进一步地，对称设置的轨道之间设有连杆用于保证轨道的平行度。

进一步地，轨道两端设有角钢。

进一步地，附加质量朝向主体结构的表面设有配重块。

进一步地，轨道和/或附加质量材质为钢。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1)呈曲线型设置的轨道，其所提供的刚度有可能随位移增大而增大、减小或任意变化，最终表现为轨道上附加质量的自振频率是变化的，因此当主体结构振动频率发生非预期改变时，非线性质量阻尼器的振动频率具有随之变化的特点；

2)附加质量沿轨道运动时，其在曲线轨道上起伏所产生的作用力在水平方向的分力为轨道所提供的回复力，该回复力与附加质量(相对主体结构)的位移之间不再局限于线性关系，可形成非线性的回复力与位移关系；

3)在对轨道进行设计时，可根据主体结构的特点和实际需要选择轨道形状，当一种形状函数无法满足要求时，还可以分段采取不同的形状函数，对应刚度随位移变化各异，从而实现非线性质量阻尼器的非线性程度各异；

4)四条轨道的设计，可在低成本投入的情况下确保附加质量保持平动而不发生转动；

5)对称的轨道之间设置连杆，使分布在两条直线上的轨道在装配和工作过程中平行度得到保证；

6)轨道端部角钢可有效防止附加质量脱出轨道。

附图说明

图1为现有技术中调谐质量阻尼器的结构示意图；

图2为实施例1所述的非线性质量阻尼器的结构示意图；

图3为实施例2所述的非线性质量阻尼器的结构示意图；

图4a为实施例1中轨道上附加质量受力图；

图4b为实施例1中轨道上附加质量法向力的分解图；

图5为实施例1中非线性质量阻尼器回复力与位移关系示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图2所示，提供一种非线性质量阻尼器，包括主体结构1，主体结构1上垂直固定有至少一条在竖直平面内的轨道2，轨道2与主体结构1牢固连接，两者间无相对运动，轨道质量可视为主体结构质量的一部分，还包括可沿轨道运动的附加质量3，轨道2在延伸方向呈曲线设置，轨道2和附加质量3均采用钢制作而成。

本实用新型的主旨是通过轨道替代现有技术中弹簧部件的功能，提供一种非线性回复力的结构控制装置。

为规范附加质量相对于轨道运动的轨迹，轨道2在与附加质量3接触的表面设有凹槽21，附加质量3包括质量本体31和设于质量本体上且可嵌入凹槽21 内沿凹槽延伸方向活动的滑动件32。

滑动件32为轴承或滚轮或其他类似可灵活在凹槽内滑动的工具，本实施例中选用灵活性较强的轴承。

为辅助保证附加质量3的运动稳定性，附加质量3朝向主体结构1的表面设有配重块(未示出)。

根据实际情况中附加质量安放的需要，轨道2可采用单条或多条的设计，具体地，轨道数量适宜设计为偶数，以保障附加质量3相对于轨道2运动的灵活性和稳定性，且偶数条轨道对称分布在两条直线上，轨道2的朝向一致，附加质量 3上的轴承与轨道2一一对应。

更具体地，本实施例采用四条轨道的形式，而附加质量3则设计为四轮小车的形式，即附加质量3的质量主体为长方体结构，四个轴承分别分布在质量主体 31的四个角上，其中对称位置的轴承共用一根运动轴33，这样的设计中四个轴承分别在四条轨道2上滚动，可使附加质量保持平动，不发生转动。

轨道2回复力与所选择轨道形状密切相关，理论上曲线型轨道形状不受限制，可采用任意函数形式，设计为中心对称轨道、非对称轨道、分段采取不同函数的轨道等。

具体到本实施例中，轨道2在延伸方向呈对称的弧形设置，轨道函数取为以轨道中心最低点为坐标原点(见图4a和4b)，可以推导得到附加质量相对轨道发生运动时所产生的水平向回复力FN，回复力FN表达式见式 (1)。

其中mN为附加质量，uN为附加质量相对坐标原点水平位移，h(uN)为轨道形状，g为重力加速度。

由上可知此时轨道的回复力与附加质量(相对主体结构)的位移为非线性比例关系。

再者，轨道形状取为时，作为弹簧部件的轨道所提供的刚度随位移增大而增大，图5对比了本实施例轨道和典型TMD的回复力与位移关系，该轨道回复力表达式见式(2)。

其中a为任意正数。

根据所取轨道形状不同，轨道所提供的刚度有可能随位移增大而增大、减小或任意变化，结果表现为轨道上附加质量的自振频率是变化的，当主体结构振动频率发生非预期改变时，非线性质量阻尼器的振动具有随之变化的特点。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，对称设置的轨道2之间设有连杆4用于保证轨道2的平行度。

在轨道2的装配过程中，通过在轨道2对应端部之间安装连杆4，多根连杆 4相互协调和限制，可确保两条直线(两个竖直平面)上的轨道2始终保持平行。

连杆的安装方式为：在各轨道的端部对应位置加工盲孔，装配好一根直线上的轨道后，将各连杆插入对应盲孔，保持连杆水平，将需装配至另一根直线上的轨道的盲孔与连杆对应连接，同时保证这些轨道与主体结构的固定位置精确。

为防止附加质量3在相对于轨道2运动时从轨道端部脱出，可在轨道2两端设置角钢5，本实施例中的两条直线上的各两条轨道共用一根角钢即可。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。