CN111042370B - 一种半主动负刚度多维减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动负刚度多维减振装置，包括一个外箱体，外箱体内部设有调谐液体阻尼器、负刚度机构和磁致伸缩振动发电单元。调谐液体阻尼器为装有阻尼液的圆筒，圆筒的侧面通过多个一端接有滚球的弹簧与吸振层相连，圆筒放置在若干金属球上，金属球放置在鼓形体上方。鼓形体与其四周呈放射状布置的负刚度调节单元构成了负刚度机构，在外箱体内底部设有超磁致伸缩体，与鼓形体之间通过碟簧相连，超磁致伸缩体的四周由内向外设有感应线圈和永磁体，构成磁致伸缩振动发电单元。鼓形体底部设有加速度传感器，与所述的磁致伸缩振动发电单元、电能存储与提取单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路。

Description

一种半主动负刚度多维减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种半主动负刚度多维减振装置，主要用于控制大跨度结构、长悬臂及高耸结构的振动响应。

背景技术

我国《建筑抗震设计规范》中规定，抗震设防烈度为8、9度时的大跨度和长悬臂结构以及9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。减振控制技术是通过在结构的特定部位安装某种耗能装置来达到减振的目的，根据是否有外部能量的输入，可分为被动控制、主动控制和半主动控制。其中半主动控制是利用机敏材料来感知结构振动响应的信息，通过驱动材料自适应刚度或阻尼实时改变结构的参数，实现动态控制，具有较好的灵活性和控制效果。

智能材料在结构控制中的应用已成为振动控制研究的前沿领域，在结构半主动控制中具有广阔的应用前景。超磁致伸缩材料(Giant magnetostrictive material.GMM)是一种新型智能材料，具有磁致伸缩应变及推力大、能量转换效率高、响应速度快等优点，具有机械能与电磁能间的双向可逆换能效应。利用其受力后发生磁致伸缩逆效应的特性，可将机械能转化为电磁能；同时，当GMM材料周围的磁场发生变化时，其长度会发生较大变化，利用这一特性可以实现刚度的调节。负刚度阻尼装置是近年来发展起来的一种新的隔振减振系统，对低频振动的抑制具有良好的效果，但是目前对可变负刚度的半主动控制型减振装置研究较少。

发明内容

本发明目的是提供一种半主动负刚度多维减振装置，旨在减小大跨度结构、长悬臂及高耸结构在环境荷载激励作用下的水平和竖向的振动及扭转响应，达到耗能减振的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种半主动负刚度多维减振装置，包括一个外箱体，所述的外箱体内部设有调谐液体阻尼器、负刚度机构和磁致伸缩振动发电单元。所述的调谐液体阻尼器为一个装有阻尼液的圆筒，圆筒的侧面通过多个一端接有滚球的弹簧与外箱体内侧的吸振层相连，所述的圆筒放置在若干金属球上，所述的金属球放置在一个鼓形体上方的球形凹槽内。所述的鼓形体与其四周呈放射状布置的负刚度调节单元构成了负刚度机构，所述的负刚度调节单元包括超磁致伸缩杆、预压弹簧、直线轴承和外圈的励磁线圈，所述的超磁致伸缩杆的一端通过预压弹簧保持压紧状态，另一端上设有贴合鼓形体外表面滚动的滚轮。在所述的外箱体内底部设有超磁致伸缩体，与鼓形体之间通过碟簧相连，所述的超磁致伸缩体的四周由内向外设有感应线圈和永磁体，构成磁致伸缩振动发电单元。所述的鼓形体底部设有加速度传感器，与所述的磁致伸缩振动发电单元、电能存储与提取单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路。

进一步的，所述的外箱体与圆筒均为圆柱形的金属筒状结构，且两者同轴安装。

进一步的，所述的圆筒的内部装有一定高度的阻尼液，圆筒内环周竖向布置若干片阻尼网，可通过调节阻尼液的高度和阻尼网的网孔尺寸，调节调谐液体阻尼器的阻尼比。

进一步的，所述的弹簧在外箱体与圆筒之间呈放射状均匀分布，弹簧的数量根据实际需要而定，且不少于4个。弹簧采用形状记忆合金材料，具有较好的自复位性能。

进一步的，所述的弹簧与滚球之间、超磁致伸缩杆与滚轮之间设有保持器，在两者的接触间隙涂有润滑油。进一步的，在所述的圆筒与金属球相接触的部分涂有润滑油。

进一步的，所述的吸振层由形状记忆合金骨架内嵌多孔材料制成，具有很好的吸能和自复位性能；吸振层表面作光滑处理，使得滚球可以在其表面自由滚动。

进一步的，所述的鼓形体为一个表面为弧形的金属实心体，具有较大的质量。

进一步的，所述的负刚度调节单元固定在外箱体内壁上，呈放射状围绕于鼓形体四周，数量不少于2个。

进一步的，所述的励磁线圈安装在励磁线圈骨架上，所述的超磁致伸缩杆和预压弹簧同轴水平设置，放置在励磁线圈骨架内，在相互嵌套且能相对运动的超磁致伸缩杆和励磁线圈骨架之间设有直线轴承。

进一步的，所述的碟簧采用叠合组合方式，单位体积的变形能大，具有良好的缓冲吸震能力；碟簧初始处于预压状态，使负刚度调节单元位于鼓形体的中间位置。

进一步的，所述的超磁致伸缩体的顶部及底部设有导磁体，在感应线圈的四周设有磁轭，防止漏磁，提高能量转化效率。进一步的，导磁体和磁轭均采用具有低磁阻的电工纯铁材料。

进一步的，所述的永磁体可以是稀土永磁材料、钐钴、铁氧体永磁材料等，或者选用预磁化线圈，可以根据需要调节磁场的强弱。

进一步的，所述的超磁致伸缩体应与其周边的感应线圈和永磁体保持不太远的距离，确保磁致伸缩振动发电单元能够正常工作。

具体地，本发明的工作原理如下：

将该减振装置固定于大跨度结构、长悬臂及高耸结构的顶部。当建筑结构在水平任意方向发生振动时，装有阻尼液的圆筒能在金属球上沿任意方向移动，引起形状记忆合金弹簧的变形并且压缩外箱体内侧的吸振层，从而实现水平各方向上的耗能。所述的圆筒能在金属球上自由转动，使得其内部的阻尼液通过阻尼网，起到控制结构扭转的作用。当建筑结构在竖向发生振动时，滚轮与鼓形体之间发生受压滚动，拉长或压缩碟簧耗能；同时，超磁致伸缩体由于受到振动力的作用，其内部的磁通密度发生变化，永磁体为超磁致伸缩体提供了预磁化磁场，使感应线圈中产生电流，实现了将外界振动输入转换为电能输出的过程，同时实现了将结构竖向振动的机械能转化为电磁能耗能的过程。

当结构发生竖向振动时，加速度传感器接收信号并将信号传递给控制器，控制器控制电能存储与提取单元放电并根据结构的振动强弱实时调节励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后，改变了超磁致伸缩杆周边的磁场强度，超磁致伸缩杆的长度发生变化，从而实时改变了滚轮对鼓形体的压力大小，实现了竖直方向负刚度的半主动调节。

本发明的有益效果是：

(1)本发明实现了结构振动的多维控制，既可控制结构在水平万向的振动，又可控制结构在竖向的振动和扭转，广泛适用于各种建筑结构(尤其是大跨度结构、长悬臂及高耸结构)的振动控制中。

(2)本发明将半主动控制技术与负刚度理论相结合，利用在变化磁场作用下具有瞬时伸缩特性的超磁致伸缩材料，可以实现竖向负刚度的智能调节，使该减震装置可以在较宽的振动频率范围内工作。

(3)本发明无需外部能量的输入，实现了自供电。通过超磁致伸缩材料的双向可逆换能效应发电，收集并用于减振装置的半主动控制中。

(4)本发明使用了多种新型材料，吸振层由形状记忆合金骨架内嵌多孔材料制成，具有很好的吸能和自复位性能；GMM材料能量密度大(是压电陶瓷的10倍以上)，响应速度快(微秒级)，安全性和可靠性好。

(5)本发明构造简单，灵活性高，且维护方便，具有较好的社会效益和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1为一种半主动负刚度多维减振装置的主视图；

图2为一种半主动负刚度多维减振装置的A-A剖面图；

图3为一种半主动负刚度多维减振装置的B-B剖面图；

图4为一种半主动负刚度多维减振装置的C-C剖面图；

图5(a)、图5(b)为一种半主动负刚度多维减振装置的负刚度调节单元细部构造图；

图中：1外箱体，2圆筒，3鼓形体，4吸振层，5金属球，6球形凹槽，7负刚度调节单元，7-1预压弹簧，7-2超磁致伸缩杆，7-3直线轴承，7-4励磁线圈，7-5励磁线圈骨架，7-6滚轮保持器，7-7滚轮，8控制器，9电能存储与提取单元，10加速度传感器，11碟簧，12感应线圈，13磁轭，14永磁体，15感应线圈骨架，16超磁致伸缩体，17导磁体，18阻尼液，19阻尼网，20滚球，21滚球保持器，22弹簧。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中考虑地震或风荷载作用方向多维性的减振装置研究较少，同时存在工作的振动频率范围较窄的问题。本发明结合GMM材料和负刚度结构模型，利用半主动控制技术，提出了一种半主动负刚度多维减振装置，实现了对结构振动的多维控制，且实现了能量的回收利用，具有良好的经济效益和应用前景。

本申请的一种典型的实施例如图1所示，一种半主动负刚度多维减振装置，包括一个外箱体1，其内部设有调谐液体阻尼器、负刚度机构和磁致伸缩振动发电单元。

调谐液体阻尼器位于外箱体的上部，调谐液体阻尼器即为一个两端封闭的圆筒2，圆筒2的内部设有一定高度的阻尼液18和呈十字交叉状的阻尼网19；阻尼网19将圆筒2内部分成多个空间；圆筒2的外侧面通过多个一端接有滚球20的弹簧22与外箱体内侧的吸振层4相连，弹簧22呈放射状沿圆筒的外侧面均匀分布，其数量根据实际需要而定，且不少于4个，优选地，本实施例中设置了8个；优选地，弹簧22采用形状记忆合金材料。吸振层4是由形状记忆合金骨架内嵌多孔材料制成的，表面作光滑处理，使得滚球20可以在其表面自由滚动，在滚球20与弹簧22之间设有滚球保持器21。优选的，吸振层4黏贴在箱体内侧壁上。圆筒2放置在若干金属球5上，金属球5放置在鼓形体3上方的球形凹槽6内。

鼓形体3位于外箱体的中部，鼓形体3为一个表面为弧形的金属实心体，具有较大的质量。鼓形体3与其四周呈放射状布置的负刚度调节单元7构成了负刚度机构，负刚度调节单元7固定在外箱体1的内壁上，呈放射状围绕于鼓形体3的四周，数量不少于2个，优选地，本实施例中设置了6个。

如图5(a)、图5(b)所示，负刚度调节单元7包括超磁致伸缩杆7-2、预压弹簧7-1、直线轴承7-3、外圈的励磁线圈7-4和励磁线圈骨架7-5，励磁线圈骨架7-5的一端固定在外箱体侧壁上，另外一端悬空；励磁线圈骨架7-5内安装超磁致伸缩杆7-2和预压弹簧7-1，超磁致伸缩杆7-2和预压弹簧7-1同轴水平设置，超磁致伸缩杆7-2的一端通过预压弹簧7-1保持压紧状态，另一端上设有贴合鼓形体3外表面滚动的滚轮7-7，直线轴承7-3位于相互嵌套且能相对运动的超磁致伸缩杆7-2和励磁线圈骨架7-5之间；在超磁致伸缩杆7-2的端部焊接有滚轮保持器7-6，滚轮保持器7-6用于对滚轮7-7进行一定的限位。预压弹簧7-1的一端固定在外箱体侧壁上，另一端固定在超磁致伸缩杆7-2端部。

上述的超磁致伸缩杆7-2为一根由超磁致伸缩材料制成的T形杆。

如图1所示，在外箱体1的内底部设有超磁致伸缩体16，与鼓形体3之间通过碟簧11相连，碟簧11采用叠合组合方式，初始处于预压状态，使负刚度调节单元7位于鼓形体3的中间位置。

其中超磁致伸缩体16为一个由超磁致伸缩材料制成的实心圆柱体。

超磁致伸缩体16的四周由内向外设有感应线圈12和永磁体14，构成磁致伸缩振动发电单元。超磁致伸缩体16的顶部及底部设有导磁体17，在感应线圈12的四周设有磁轭13。永磁体14可以是稀土永磁材料、钐钴、铁氧体永磁材料等，或者选用预磁化线圈，可以根据需要调节磁场的强弱；导磁体17和磁轭13均采用具有低磁阻的电工纯铁材料。

鼓形体3的底部还设有加速度传感器10，与磁致伸缩振动发电单元、电能存储与提取单元9、控制器8以及励磁线圈7-4串联形成闭合回路。本实施例方案中，控制器8优选地采用现有的单片机控制。

在滚球20与滚球保持器21、滚轮7-7与滚轮保持器7-6的接触间隙涂有润滑油；在圆筒2与金属球5相接触的部分涂有润滑油。

当建筑结构在水平任意方向发生振动时，装有阻尼液18的圆筒2能在金属球5上沿任意方向移动，引起弹簧22的变形并且压缩外箱体内侧的吸振层4，从而实现水平各方向上的耗能。圆筒2能在金属球5上自由转动，使得其内部的阻尼液18通过阻尼网19，起到控制结构扭转的作用。当建筑结构在竖向发生振动时，滚轮7-7与鼓形体3之间发生受压滚动，拉长或压缩碟簧11耗能；同时，超磁致伸缩体16由于受到振动力的作用，其内部的磁通密度发生变化，永磁体14为超磁致伸缩体16提供了预磁化磁场，使感应线圈12中产生电流，实现了将外界振动输入转换为电能输出的过程，同时实现了将结构竖向振动的机械能转化为电磁能耗能的过程。

当结构发生竖向振动时，加速度传感器10接收信号并将信号传递给控制器8，控制器8控制电能存储与提取单元9放电并根据结构的振动强弱实时调节励磁线圈7-4中的电流大小。励磁线圈7-4通电后，改变了超磁致伸缩杆7-2周边的磁场强度，超磁致伸缩杆7-2的长度发生变化，从而实时改变了滚轮7-7对鼓形体3的压力大小，实现了竖直方向负刚度的半主动调节。

本发明利用调谐液体阻尼器来控制结构在水平万向的振动及扭转，竖向结合GMM材料和负刚度结构模型，通过碟簧的变形耗能和磁致伸缩振动发电单元发电，实现了结构振动的多维控制，具有较宽的振动频率工作范围。

本发明通过GMM材料的双向可逆换能效应发电，收集并用于减振装置的半主动控制中。根据结构的振动情况实时改变输出电流的大小，通过改变超磁致伸缩杆周边的磁场强度来改变杆对鼓形体的水平推力作用，实现了竖直方向负刚度的半主动调节，同时实现了自供电。

将该减振装置固定于建筑主体结构易发生振动破坏的位置，能够有效抑制建筑结构在地震或风荷载作用下的振动响应，尤其适用于大跨度结构、长悬臂及高耸结构。同时，该装置构造简单，灵活性高，具有较好的社会效益和经济效益。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于：包括一个外箱体，所述的外箱体内部设有调谐液体阻尼器、负刚度机构和磁致伸缩振动发电单元；

所述的调谐液体阻尼器为一个装有阻尼液的圆筒，圆筒的侧面通过多个一端接有滚球的弹簧与外箱体内侧的吸振层相连；圆筒放置在若干金属球上，金属球放置在鼓形体上方的球形凹槽内；

所述的负刚度机构包括鼓形体和位于鼓形体四周且呈放射状布置的负刚度调节单元；所述的负刚度调节单元包括超磁致伸缩杆、预压弹簧和励磁线圈，所述的超磁致伸缩杆的一端通过预压弹簧保持压紧状态，另一端上设有贴合鼓形体外表面滚动的滚轮；且超磁致伸缩杆安装在励磁线圈内；

所述的磁致伸缩振动发电单元包括超磁致伸缩体、感应线圈和永磁体，所述的超磁致伸缩体位于鼓形体下方，超磁致伸缩体与鼓形体之间通过碟簧相连；所述的超磁致伸缩体的四周由内向外设有感应线圈和永磁体；所述的鼓形体底部设有加速度传感器，与所述的磁致伸缩振动发电单元、电能存储与提取单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路。

2.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的圆筒的内部装有一定高度的阻尼液，圆筒内环周竖向布置若干片阻尼网，通过调节阻尼液的高度和阻尼网的网孔尺寸，调节调谐液体阻尼器的阻尼比。

3.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的弹簧在外箱体与圆筒之间呈放射状均匀分布。

4.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的弹簧与滚球之间、超磁致伸缩杆与滚轮之间设有保持器，在滚球与滚球保持器、滚轮与滚轮保持器的接触间隙涂有润滑油；进一步的，在所述的圆筒与金属球相接触的部分涂有润滑油。

5.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的吸振层由形状记忆合金骨架内嵌多孔材料制成；吸振层表面作光滑处理，使得滚球可在其表面自由滚动。

6.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的鼓形体为一个表面为弧形的金属实心体。

7.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的励磁线圈安装在励磁线圈骨架上，所述的超磁致伸缩杆和预压弹簧同轴水平设置，放置在励磁线圈骨架内，在相互嵌套且能相对运动的超磁致伸缩杆和励磁线圈骨架之间设有直线轴承。

8.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的碟簧采用叠合组合方式，碟簧初始处于预压状态，使负刚度调节单元位于鼓形体的中间位置。

9.如权利要求1所述的一种半主动负刚度多维减振装置，其特征在于，所述的超磁致伸缩体的顶部及底部设有导磁体，在感应线圈的四周设有磁轭。

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