一种基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统

本发明属于土木工程，涉及一种基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统。

背景技术：

1、在利用液体惯性质量对结构进行调谐减振控制方面，目前主要的技术(产品)为调谐液体增效液体阻尼器(tld)及其组合控制系统。这些技术(产品)中，大多利用液体的晃动产生惯性质量，但这种晃动是由液体中的对流组分产生，液体中的脉冲组分仍然无法在晃动过程中提供额外的液体惯性质量，因此既有的技术(产品)对液体晃动惯性和晃动阻尼利用率低，在同等质量的前提下液体晃动产生的惯性质量亟需进一步提升利用。

2、此外，目前对液体的利用主要集中产生惯性质量方面，对液体摩擦、剪切、碰撞而产生的增效液体阻尼效应的利用还不充分，对液体减振控制潜力的利用率低。

3、专利cn112900637a公开了一种低频高承载三维隔振及隔震抗冲击支座，外观上采用上垂向下水平或上水平下垂向隔振和隔震结构形式，包括：上部结构、下部结构以及水平向缓振阻尼元件，所述上部结构包括内置的竖向阻尼元件、限位元件以及弹性元件，所述下部结构包括上部框架结构和下部框架结构，所述水平向缓振阻尼元件设置在上部框架结构和下部框架结构之间，从而在所述上部框架结构和下部框架结构之间形成屏障隔振或隔震效应以及分层耗能结构。但该专利的本质是一个具有一定耗能能力的隔震/振支座，在发挥作用时从力学原理的角度可以抽象为一个弹簧元件和一个阻尼元件，具有调整结构周期与耗散地震能量的作用；但该专利中不存在质量元件，因此无法产生为结构振动控制提供惯性作用力，产生动力吸振效应。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统，本发明增强液动质量和阻尼效应，有利于实现结构高效振动控制。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一在于，提供一种基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统，该系统包括调谐液动增效液体阻尼箱、主结构和正交运动转换机构，所述调谐液动增效液体阻尼箱的下部和内部分别设置有正交运动转换机构，所述调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构分别与调谐液动增效液体阻尼箱和主结构连接，所述调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构与调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构连接，所述调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构与调谐液动增效液体阻尼箱的箱体连接，并与格栅板连接，所述正交运动转换机构包括彼此连接的刚性杆，该刚性杆的连接端采用铰接。

4、进一步地，所述正交运动转换机构包括四根菱形结构的刚性杆，该刚性杆的铰接点之间设置有弹性件。

5、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构的上下两端之间设置有弹性件，该弹性件包括弹簧、柔性金属杆、弹性橡胶垫或形状记忆合金，在工作时，所述正交运动转换机构的左右两端铰接点的水平运动将被转化为上下两端铰接点的垂直运动，实现正交运动转换。

6、作为优选的技术方案，所述弹性件与正交运动转换机构的连接端上下两端铰接点采用固接。

7、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构的左右两端通过连接件分别与调谐液动增效液体阻尼箱和主结构连接。

8、作为优选的技术方案，所述连接件与正交运动转换机构的连接端左右两端铰接点采用铰接，与调谐液动增效液体阻尼箱和主结构的连接端采用固接。

9、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构的下端通过连接轴与调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构的上端连接，所述连接轴贯穿调谐液动增效液体阻尼箱的箱体，在工作时，所述调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构的上端铰接点的垂直运动将被传递至调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构的下端铰接点的垂直运动。

10、作为优选的技术方案，所述连接轴与正交运动转换机构的连接端上下两端铰接点采用铰接。

11、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构的上端通过固定轴与调谐液动增效液体阻尼箱的箱体连接，以保持上端的竖向位置不变，左右两端分别与格栅板连接，所述格栅板包括圆孔平动板或方孔平动板，在工作时，所述正交运动转换机构的下端铰接点的垂直运动将被转化为左右两端铰接点的水平运动，实现正交运动转换。

12、作为优选的技术方案，所述固定轴与正交运动转换机构的连接端上端铰接点采用铰接，与格栅板的连接端采用固接。

13、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱通过隔震支座与主结构连接。

14、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱通过隔震支座与支撑连接，进而与主结构连接，所述支撑与主结构连接，所述支撑并非必要构件，在隔震支座高度不足的情况下可采用支撑。

15、作为优选的技术方案，所述支撑与主结构采用固接。

16、进一步地，所述隔震支座选自天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、摩擦摆支座、平板滑移支座中的一种或多种。

17、进一步地，所述调谐液动增效液体阻尼箱内存储有液体，该液体可以根据实际需求选择，包括水或硅油。

18、作为优选的技术方案，所述调谐液动增效液体阻尼箱的横截面形状包括圆形或矩形。

19、作为优选的技术方案，所述格栅板将推动调谐液动增效液体阻尼箱内部液体的脉冲组分产生惯性质量和增效液体阻尼效应的比例可以通过调节格栅板的大小和格栅板上栅格的大小来调节。

20、作为优选的技术方案，所述正交运动转换机构在正交运动转化时对位移的放大效果可以通过调整刚性杆的初始角度来调节。

21、本发明的技术方案之一在于，提供一种基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统的使用方法，该方法包括以下步骤：

22、工作时，所述调谐液动增效液体阻尼箱与主结构发生相对水平位移，所述调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构将这一相对水平位移转换并放大为竖向位移，使得连接在正交运动转换机构上下两端之间的弹性件产生非线性调谐刚度；再通过连接轴将放大的竖向位移传递给调谐液动增效液体阻尼箱内部的正交运动转换机构；并将竖向位移二次放大为格栅板的水平位移；所述格栅板将推动调谐液动增效液体阻尼箱内部液体的脉冲组分产生原本无法参与液体调谐晃动运动的放大惯性质量，并利用液体穿过格栅板上栅格时的剪切作用产生增效液体非线性阻尼。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、(1)本发明通过双正交运动转换机构及其内部附加的弹性件，能将调谐液动增效液体阻尼箱相对于结构的水平运动传递给调谐液动增效液体阻尼箱中原本相对箱体静止的液体脉冲组分；能基于该机构在运动的正交转化过程中能够表现出的运动放大机制，以增强液体晃动传递效率和非线性阻尼效率；能为调谐液动增效液体阻尼箱提供与箱体水平位移相关的非线性调谐刚度；

25、(2)本发明可通过格栅板的水平运动主动地带动脉冲组分产生水平晃动运动，以进一步利用脉冲组分增强产生的液动质量，显著增效并灵活调整液体脉冲组分的液动质量放大和调谐效果，同时还能够通过格栅板上栅格对液体的剪切作用产生增效的液体非线性阻尼效应；

26、(3)本发明的隔震支座用以支撑调谐液动增效液体阻尼箱，并实现调谐液动增效液体阻尼箱与结构连接刚度的调节，建立液体阻尼箱整体相较于受控主结构的第一道调谐机制；基于正交运动转换机构工作过程中对位移的非线性转换，利用安装在调谐液动增效液体阻尼箱下部的正交运动转换机构中的弹性件产生非线性刚度，建立第二道调谐机制；利用调谐液动增效液体阻尼箱中经正交运动转换机构增效的液体质量，建立第三道调谐机制；

27、(4)本发明通过隔震支座产生线性调谐作用，通过正交运动转换机构中的弹性件产生非线性调谐作用；再结合调谐液动增效液体阻尼箱所产生的惯性质量放大以及经正交转换机构增效的非线性液体阻尼，共同形成基于正交转换增效的调谐液动质量-阻尼非线性系统，有利于实现结构高效振动控制，为既有消防水箱、观赏水箱和调谐液体阻尼器的性能设计与振动控制提供新思路。