一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统

1.本发明涉及一种减振系统，具体涉及一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统。


背景技术：

2.结构消能减振技术是在主体结构的某些部位(如支撑、剪力墙、连接缝或连接构件灯)设置耗能(阻尼)装置(或元件)。进而在主体进入非弹性状态前，装置(或元件)会率先进入耗能工作状态，通过产生摩擦、弯曲(或剪切、扭转)弹塑性(或粘弹性)滞回变形来实现耗散或吸收能量，以减少主体结构的反应，从而保证主体结构的安全性和正常使用。
3.非线性能量阱作为一种新兴的结构振动控制技术，其恢复力与系统位移均呈现非线性关系，因此相比调谐质量阻尼器，非线性能量阱具有较宽的减振频带。此外，非线性能量阱因其非恒定的非线性刚度，使其具有靶向能量传递机制，进而可以捕捉结构振动能量至减振系统中并实现耗散，是一种鲁棒性较高的振动控制技术。然而，非线性能量阱所采用的振子质量通常远大于传统被动阻尼器，使该技术的实际应用受到一定限制。
4.惯容器通常通过机械方法将施加于其两端的直线运动转换成质量块的旋转运动或液体的流动，从而产生较大的表观质量。目前最常用的惯容器主要是利用滚珠丝杆和旋转螺母相配合，将惯容器两端的径向运动转换为质量块的高速旋转运动，从而产生较大的表观质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统，通过对气弹簧非线性刚度的调控实现了对减振系统的控制激励频带地大幅拓宽，同时非线性能量阱技术将主结构的振动能量传递至阻尼系统中，进而利用机械阻尼实现能量耗散，有利于降低减振系统所需要的附加质量。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统，包括用于将减振系统安装在主体结构上的底板，该减振系统还包括振子、滑轨、气弹簧和惯容器；
8.所述的滑轨固定设置于底板上，所述的振子沿滑轨滑动的设置于滑轨上；
9.所述的气弹簧设有一对，且对称于振子设置，气弹簧一端通过支承平台固定于底板上，另一端与振子侧边铰接；
10.所述的惯容器通过支架固定于底板上，并通过丝杆与振子侧边固定连接；所述的丝杆平行于振子的运动方向设置；
11.所述的振子沿滑轨滑动，通过丝杆带动惯容器发生运动，从而产生质量放大效应；同时，振子沿滑轨滑动，带动气弹簧的运动，改变气弹簧的内部压强，从而提高系统非线性。
12.优选地，所述的振子包括质量块箱体和设置于质量块箱体内部的质量块，所述的质量块与质量块箱体通过设置于质量块箱体内侧底部的螺栓孔固定连接；所述的质量块箱
体底部设有与滑轨相配合的凸块。将质量块固定于质量块箱体内部，使其在振子运动时不会发生移动，可以实现对振子质量的精准控制。同时底部与滑轨相配合的凸块，能够有效的限制振子在滑轨上发生的运动，使振子稳定滑行于滑轨之上。
13.优选地，所述的气弹簧包括气孔、气缸、活塞杆和铰接板；所述的气孔设置于气弹簧侧壁上，并与气缸连通；所述的活塞杆由气弹簧一端伸出，伸出端与振子侧边通过销轴铰接；所述的铰接板固定于气弹簧另一端，并与支承平台相铰接。在振子沿滑轨滑动时，气弹簧会以支承平台为中心发生旋转，保证气弹簧的活塞杆始终保持平行于气弹簧进行径向运动。
14.气弹簧是一种内部充满气体的密封容器，通过改变气弹簧内部压强可以改变其非线性恢复力，且气弹簧的非线性恢复力与气弹簧的轴向位移成三次方关系，因此系统的冲程可以得到有效降低。气弹簧的内部压强可通过振子的位移推导得到。
15.工作时，振子沿滑轨来回滑动，并带动气弹簧的活塞杆运动从而改变气弹簧气缸的内部压强，以此获得较强的系统非线性特征，进而可以拓宽减振系统的振动控制频带，并能够降低对外界激励频率的敏感性，避免出现当激励频率不接近固定频率时，抑制效果明显降低的情况。
16.优选地，所述的减振系统还包括气泵，所述的气泵通过气道与气孔相连。通过气泵的输气和放气来控制气弹簧的内部压强，进而可以使减振系统始终保持在最优控制频段内工作。
17.优选地，所述的气道上设置有与多个气弹簧的气孔相连接的管道连接件。管道连接件的设置可以实现通过一个气泵来控制多个气弹簧的内部气压，进而可以保证连接至该气泵的气弹簧内部气压相等，从而这些气弹簧不会产生对振子的额外作用力，不会破坏振子的平衡。
18.优选地，所述的减振系统还包括控制单元，所述的控制单元通过信号输出线与气泵电连接。控制单元用于在安装时、系统工作时以及系统工作完成后控制气泵的工作状态，使其可以根据需求提高、维持或降低气弹簧的内部压强，以此达到对减振系统非线性刚度的调控。
19.优选地，所述的支承平台通过螺栓固定于底板上，所述的支承平台正面设有与气弹簧的铰接板相配合的铰接耳板，背面固定有用于增强抗侧刚度的加劲肋。
20.优选地，所述的惯容器包括飞轮，所述的丝杆穿设于飞轮中心处，所述的惯容器还包括设置于飞轮和丝杆之间的螺母，所述的振子沿滑轨滑动，通过丝杆带动螺母旋转，进而带动飞轮旋转，从而产生质量放大效应。惯容器的质量增效可以通过振子的加速度推算得到。
21.优选地，所述的惯容器还包括盖设于惯容器上方的保护壳。保护壳的设置可以防止灰尘落入惯容器内影响飞轮、丝杆和螺母之间的配合。
22.优选地，所述的丝杆为滚珠丝杆。设置在螺母与丝杆之间的滚珠可以使滚珠丝杆能够与螺母发生顺滑的转动，可以保证惯容器的长效使用。
23.本发明的工作原理为：
24.在地震和风荷载的激励下，减振系统开始工作，振子会在滑轨上发生径向滑动，并通过丝杆带动惯容器进入工作状态，从而产生质量放大效应，降低减振系统克服激励所需
要的附加质量(即振子的质量)；同时，振子在滑轨上的在滑轨上同时还会带动气弹簧的活塞杆发生运动，进而改变气弹簧内部的压强大小，可以获得较强的减振系统非线性特征，进而能够拓宽减振系统的振动控制频带，并降低对外界激励频率的敏感性；此外，控制单元可以在减振系统工作时对气弹簧的气压进行随时调控，从而在减振系统工作时调控至最优减振频率，进而提高减振系统在特定激励频率下的振动控制效果。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
26.本发明针对非线性能量阱的非线性刚度难以调控及附加质量较大的问题，提出了一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统。通过对气弹簧的非线性刚度进行适当调控，加之气弹簧自身力学特性即具有强非线性，将其用作非线性能量阱的刚度单元可以进一步提高非线性能量阱的非线性程度，因此，本发明提出的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统的有益效果主要体现在以下三点：
27.(1)通过气弹簧的使用，能够使减振系统在工作时气弹簧内部压强发生改变，进而能够获得较强的减振系统非线性特征，从而可以使本减振系统具有更宽的振动控制频带，同时可以降低对外界激励频率的敏感性。配合惯容器的使用，能够通过质量增效来对质量块的径向运动产生的减振效果进行放大，从而可以大幅降低减振系统所需要的附加质量。
28.(2)在气弹簧的使用过程中配合气缸以及控制单元的使用，能够：1)使用控制单元对气弹簧的气压进行控制，使现场安装的减振系统控制频率与设计时相符，避免非线性能量阱的非线性刚度与设计不符从而影响其减振频带；2)使用控制单元在减振系统工作时对气弹簧的气压进行随时调控，从而在减振系统工作时调控至最优减振频率，从而提高减振系统在特定激励频率下的振动控制效果。
29.(3)在气缸与气弹簧之间的气道上设置管道连接件，可以使一个气缸对应多个气弹簧，进而可以保证在各气弹簧动作时，其内部的气压相等，防止个别气弹簧对振子施加额外的压力，破坏振子的平衡，进而破坏减振系统的运作。
30.(4)减振系统具有可调的非恒定固有频率使其可以与结构的一系列模态发生共振，从而极大地拓宽了减振系统的控制频带，同时，减振系统具有较小的附加质量，相比传统调谐质量阻尼器具有较小的质量，弥补了传统tmd(调频质量阻尼器)在附加质量和空间局限性上的缺陷。
31.(5)本发明的减振系统采用了非线性能量阱，具有较宽的减振频带以及较高的鲁棒性；同时又结合使用惯容器，通过将质量块的径向运动转换为飞轮的高速转动，以产生较大的表观质量，能够有效克服非线性能量阱所需的大振子质量的缺陷；并通过加入气弹簧作为减振系统的刚度单元能够提高非线性能量阱的非线性程度，进而可以进一步扩展本减振系统的减振频带，降低减振系统对外界激励频率的敏感性，同时还能显著降低工作冲程。本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统安装于主体结构上之后，能够通过控制单元对系统非线性刚度自适应性调控或实时调控，使得系统的最优工作频率与激励频率一致，从而进一步提高系统的振动控制效果。
附图说明
32.图1为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统的结构示意图；
33.图2为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中振子的正视结
构示意图；
34.图3为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中振子的侧视结构示意图；
35.图4为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中振子的俯视结构示意图；
36.图5为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中滑轨的俯视结构示意图；
37.图6为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中滑轨的正视结构示意图；
38.图7为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中滑轨的侧视结构示意图；
39.图8为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中气弹簧的结构示意图；
40.图9为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中支承平台的正视结构示意图；
41.图10为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中支承平台的侧视结构示意图；
42.图11为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中支承平台的俯视结构示意图；
43.图12为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中气泵的结构示意图；
44.图13为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中惯容器的结构示意图；
45.图14为本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统中惯容器a-a截面(图13中的a-a截面)的剖视示意图；
46.图中：1-振子；101-质量块箱体；102-螺栓孔；103-质量块；2-滑轨；3-底板；4-气弹簧；401-气孔；402-气缸；403-活塞杆；404-铰接板；5-销轴；6-支承平台；601-铰接耳板；602-加劲肋；7-螺栓；8-气道；9-气泵；901-输气口；902-放气口；10-管道连接件；11-控制单元；12-信号输出线；13-惯容器；1301-飞轮；1302-丝杆；1303-螺母；1304-滚珠；1305-保护壳；14-支架。
具体实施方式
47.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
48.实施例
49.一种非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统，如图1-14所示，包括用于将减振系统安装在主体结构上的底板3，该减振系统还包括振子1、滑轨2、气弹簧4和惯容器13；滑轨2固定设置于底板3上，振子1沿滑轨2滑动的设置于滑轨2上；气弹簧4设有一对，且对称于振子1设置，气弹簧4一端通过支承平台6固定于底板3上，另一端与振子1侧边铰接；惯容器13通过保护壳1305固定于底板3上，并通过丝杆1302与振子1侧边固定连接；丝杆
1302平行于振子1的运动方向设置；振子1沿滑轨2滑动，通过丝杆1302带动惯容器13发生运动，从而产生质量放大效应；同时，振子1沿滑轨2滑动，带动气弹簧4的运动，改变气弹簧4的内部压强，从而提高系统非线性。
50.更具体地，本实施例中：
51.如图1所示，本实施例的减振系统整体分为三部分，其中振子1和滑轨2设置于中心位置，并沿前后方向延伸。振子1分为质量块箱体101和质量块103，如图2所示，质量块103通过螺栓7固定在质量块箱体101内侧底部的螺栓孔102中，实现对振子1质量的精准控制；质量块箱体101下部形状与滑轨2相配合，如图2-7所示，左右对称的设置凸起的凸块，使得振子1在滑轨2上运动时，能够保持平稳稳定。
52.在滑轨2的左右两侧各设有一个气弹簧4，以滑轨2对称，初始状态下(非工作状态下)气弹簧4垂直于滑轨2。气弹簧4由气孔401、气缸402、活塞杆403和铰接板404组成，如图8所示，其中气孔401连通气缸402与气泵9，以调节气弹簧4内部压力。由气弹簧4内部伸出的活塞杆403，其伸出的一端(即气弹簧4的伸出端)通过销轴5与振子1的左右两侧边相铰接；而气弹簧4的固定端处的铰接板404则与支承平台6的铰接耳板601相铰接配合，使气弹簧4能够通过支承平台6固定于底板3上。在振子1沿滑轨2滑动时，气弹簧4会以支承平台6为中心发生旋转。为保证支承平台6的稳定性，支承平台6通过螺栓7固定于底板3上，并在其背面还设置了能够增强支承平台6抗侧刚度的加劲肋602，如图9-11所示。
53.与气弹簧4相连通的气泵9只需设有一个，如图12所示，其具有输气口901和放气口902，并分别通过气道8与气弹簧4相连通。在气道8上还设置管道连接件10，使得一个气泵9能够同时控制这一对气弹簧4内部的压强，保证在减振系统运作时，左右两个气弹簧4内部的压强相等，避免振子1受到不对称的压力而失去平衡。气泵9还与控制单元11通过信号输出线12相电连接，用于在安装时、系统工作时以及系统工作完成后控制气泵9的工作状态，使其可以根据需求提高、维持或降低气弹簧4的内部压强，以此达到对减振系统非线性刚度的调控。
54.在滑轨2的末端设置的是惯容器13，惯容器13安装在支架14上，并通过支架14固定在底板3上。惯容器13由飞轮1301、丝杆1302和螺母1303组成，如图13和图14所示，丝杆1302穿过飞轮1301的中心位置并平行于振子1的运动方向设置，其一端固定于振子1的侧边；螺母1303设置于丝杆1302与飞轮1301之间。本实施例选用滚珠丝杆，因此在螺母1303与丝杆1302之间填设的是排列好的滚珠1304，可以使得螺母1303顺滑转动。运作时，振子1沿滑轨2滑动，推拉滚珠丝杆以带动螺母1303旋转，进而带动飞轮1301旋转，从而产生质量放大效应。在惯容器13上方还安装了保护壳1305，可以防止灰尘落入惯容器13内以免影响运行。
55.首先将滑轨2和支承平台6装配于底板3上，随后将振子1卡入滑轨2中，并将其移动至预先设定的气弹簧4平衡位置，在装配完气弹簧4之后再启动控制单元11以调控气弹簧4的内部压强，最后再将惯容器13安装到指定位置，完成本实施例的减振系统的安装。在减振系统安装完成后，使用控制单元将气弹簧4的内部压强调控至预设值，保证减振系统的振动频带与设计值相符。
56.在地震和风荷载激励下，减振系统开始工作，将主体结构的能量传递捕获至阻尼系统并在系统内耗散。振子1在滑轨2上的径向运动可以带动惯容器13的丝杆1302进行旋转，从而带动飞轮1301的高速旋转运动，以此产生质量放大效应，降低系统所需的附加质
量。同时，振子1沿滑轨2来回滑动并带动气弹簧4的活塞杆403运动从而改变气弹簧4的内部压强，以此获得较强的系统非线性特征，拓宽减振系统的振动控制频带，降低对外界激励频率的敏感性。由于气弹簧4的内部压强可通过振子1的位移推导得到，惯容器13的质量增效可以通过振子1的加速度推算得到，因此在获得减振系统的非线性刚度及系统总质量后，可以通过使用控制单元对气弹簧4的内部压强进行自适应性调控，使外界激励频率落在减振系统的控制频带范围内；或者也可以通过使用控制单元对气弹簧4的内部压强进行实时调控，使减振系统始终保持在最优控制频段内工作。
57.综上所述，本发明的非线性刚度可调的惯容型非线性能量阱减振系统安装于主体结构上之后，能够有效降低减振系统所需的附加质量；通过气弹簧4可以进一步提高非线性能量阱系统的非线性程度及非恒定的固有频率，使减振系统获得更广的减振频带并且显著降低振子1的工作冲程；此外，可以通过控制单元11对系统非线性刚度进行自适应性调控或随时调控，使得系统的最优工作频率与激励频率一致，从而进一步提高系统的振动控制效果。
58.本发明的工作原理为：
59.在地震和风荷载的激励下，减振系统开始工作，振子1会在滑轨2上发生径向滑动，并通过丝杆1302带动惯容器13进入工作状态，从而产生质量放大效应，降低减振系统克服激励所需要的附加质量(即振子1的质量)；同时，振子1在滑轨2上的在滑轨2上同时还会带动气弹簧4的活塞杆403发生运动，进而改变气弹簧4内部的压强大小，可以获得较强的减振系统非线性特征，进而能够拓宽减振系统的振动控制频带，并降低对外界激励频率的敏感性；此外，控制单元11可以在减振系统工作时对气弹簧4的气压进行随时调控，从而在减振系统工作时调控至最优减振频率，进而提高减振系统在特定激励频率下的振动控制效果。
60.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。