CN110296182B - 一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振*** - Google Patents

一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，该装置包括主结构、一个调谐质量阻尼器(TMD)***，一个非线性能量阱(NES)***，将调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合，非线性能量阱弥补调谐质量阻尼器减振频带敏感的缺陷；同时，调谐质量阻尼器克服非线性能量阱对初始能量敏感的问题，提高了***的鲁棒性。调谐质量阻尼器和非线性能量阱共用一个滑轨，有效减小空间占比。

Description

一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，例如海洋平台、高层建筑、风力机等，具体涉及一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***。
背景技术
调谐质量阻尼器(TMD)***调节自身频率和主结构振动频率一致，通过TMD和主结构间的相互作用，实现能量从主结构向TMD转移，达到减小主结构振动的目的。例如专利号201710037680，该调谐质量阻尼器将油缸竖直设置，通过调节活塞片调节阻尼实现调频，降低了加工精度要求，但是存在吸振频带窄等问题；非线性能量阱(NES)由阻尼和非线性刚度弹簧组成，主结构受到外激励时，NES利用共振俘获实现靶能量传递(TET)，振动能量通过非线性刚度单向传递到NES并通过阻尼耗散，使振动能量衰减。由于NES具有非线性刚度，无固定频率，可在较宽的频带上减振。例如专利号201520898057，基于非线性能量阱的两自由度吸振器的实用新型专利，一部分能量通过阻尼箱摩擦耗散，另一部分能量通过阻尼箱内椭圆形橡胶体提供的非线性回复力耗散，形成两自由度减振***，但是该***存在对初始能量敏感的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，一方面拓宽减振频带，另一方面降低主结构动力响应，增强减振效果。
本发明采用的方案为，一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，包括主结构，主结构表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座，在2个TMD安装支座中点垂直方向设置有NES安装支座，所述TMD安装支座上固接有滑轨，滑轨的上方设置有TMD质量块，TMD质量块两侧均通过连接件与TMD安装支座相连接，连接件上套接有TMD线性弹簧，TMD安装支座和TMD质量块之间还设置有TMD阻尼器，TMD阻尼器的一端固定连接在TMD安装支座上，另一端连接有TMD质量块；所述滑轨的下方设置有NES质量块，NES质量块两侧均依次设置有NES阻尼和NES非线性弹簧，NES非线性弹簧的末端固定连接在主结构上。
本发明的特点还在于，
NES安装支座呈中空结构，在NES安装支座中部与滑轨等高的位置设置有凸台，用于安装TMD质量块。
TMD安装支座和NES安装支座通过螺栓固定在主结构上。
TMD线性弹簧和NES非线性弹簧相互垂直设置。
连接件包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽活动连接至TMD安装支座上，两个部分相互套接。
铰接槽通过螺栓固定在TMD安装支座上。
TMD线性弹簧可以是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧的数量可设置有多个。
NES非线性弹簧通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
TMD阻尼器和NES阻尼选用粘滞阻尼、液压阻尼。
本发明的有益效果为：
1)本发明将调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合，非线性能量阱弥补调谐质量阻尼器减振频带敏感的缺陷；同时，调谐质量阻尼器克服非线性能量阱对初始能量敏感的问题，提高了***的鲁棒性。
2)调谐质量阻尼器和非线性能量阱共用一个滑轨，有效减小空间占比。
附图说明
图1为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振***的结构示意图；
图2为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振***的俯视图；
图3为本发明调谐质量阻尼器和非线性能量阱结合的减振***中无控制、TMD、NES、TMD-NES混合控制的主结构频率能量图；
图中，1.主结构，2.TMD安装支座，3.NES安装支座，4.滑轨，5.螺母，6.TMD质量块，7.NES质量块，8.TMD线性弹簧，9.TMD阻尼，10.铰接槽，11.滑块，12.螺栓，13.NES非线性弹簧，14.NES阻尼，15.连接件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，如图1所示，包括主结构1，主结构1表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座2，在2个TMD安装支座2中点垂直方向设置有NES安装支座3，所述TMD安装支座2上固接有滑轨4，滑轨4的上方设置有TMD质量块6，TMD质量块6两侧均通过连接件15与TMD安装支座2相连接，连接件15上套接有TMD线性弹簧8，TMD安装支座2和TMD质量块6之间还设置有TMD阻尼器9，TMD阻尼器9的一端固定连接在TMD安装支座2上，另一端连接有TMD质量块6；所述滑轨4的下方设置有NES质量块7，NES质量块7两侧均依次设置有NES阻尼14和NES非线性弹簧13，NES非线性弹簧13的末端固定连接在主结构1上。
NES安装支座3呈中空结构，在NES安装支座3中部与滑轨等高的位置设置有凸台，用于安装TMD质量块6。
TMD安装支座2和NES安装支座3通过螺栓12固定在主结构1上。
TMD线性弹簧8和NES非线性弹簧13相互垂直设置。
连接件15包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块6固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽10活动连接至TMD安装支座2上，两个部分相互套接。
铰接槽10通过螺栓12固定在TMD安装支座2上。
TMD线性弹簧8可以是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧8的数量可设置有多个。
NES非线性弹簧13通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
TMD阻尼器9和NES阻尼14选用粘滞阻尼、液压阻尼。
根据具体情况需要选用质量块的材料，例如风力机的控制柜、高层建筑的消防水箱等内部器材等，有效减小被控结构的空间占比。
线性弹簧材料可以是空气弹簧、螺旋弹簧等材料，根据具体需要选择弹簧的数量，可通过选择不同弹簧刚度调节TMD的固有频率。
非线性弹簧可通过弹性弦、橡胶等材料实现立方刚度。
阻尼器可选用粘滞阻尼、液压阻尼等。
本发明的工作原理为，当主结构1受外激励发生振动时，通过TMD的阻尼9、线性弹簧8带动TMD的质量块6在滑轨4上往复滑动，即将主结构一部分能量转移到TMD，TMD***相对运动产生的惯性力反作用到主结构上，调谐该惯性力使主结构振动响应衰减；同时通过NES的阻尼14、非线性弹簧13带动NES的质量块7在滑轨4下方往复运动，将另一部分能量单向传递到NES，直接通过NES的阻尼以热能形式耗散，由于其具有非线性刚度，可以锁定多个共振频率，实现宽频吸振。
下面通过具体实施例来证明该混合减振***的减振效果：
该***的强迫振动方程如下所示：
Figure BDA0002112786430000051
其中x0、m0、k0、c0分别为主结构的位移、质量、等效刚度、等效阻尼，F为外激励的幅值，ω为外激励的频率；x1、m1、k1、c1分别为调谐质量阻尼器的位移、质量、刚度、阻尼；x2、m2、k2、c2分别为非线性能量阱的位移、质量、刚度、阻尼。
将***参数无量纲化：
Figure BDA0002112786430000061
Figure BDA0002112786430000062
得到新的动力学方程
Figure BDA0002112786430000063
分别加入无控制、TMD和NES分别进行对比分析，由于频率不同，其运动状态也不同，不能直接比较控制效果，因此采用一段时间内主结构的平均能量E来表示吸振效果，E的表达式如下:
Figure BDA0002112786430000064
设***参数μ1＝0.05，μ2＝0.05，μ＝0.1，C0＝0.01，C1＝0.002，C2＝0.002，K1＝0.15，K2＝0.15，F0＝0.01，ω0＝1，初始值设为零，振动能量取相对稳定后一段时间内的平均能量，τ∈[400,500]，主结构的频率能量曲线如图3所示。从图3看出，无控制主结构在外激励频率为1时，能量骤增，***发生共振现象；单TMD控制下显示出现了两处共振峰值，峰值降低了30.5％；单NES控制下减振频带拓宽，且最大能量峰值减小了86.4％；而TMD-NES控制下的曲线包络区域更小，能量峰值减小率高达95.2％，减振效果受频率影响较小。

Claims (9)

1.一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，包括主结构(1)，主结构(1)表面通过螺栓固定有2个TMD安装支座(2)，在2个TMD安装支座(2)之间设置有NES安装支座(3)，所述TMD安装支座(2)上固接有滑轨(4)，滑轨(4)贯穿NES安装支座(3)，滑轨(4)的上方设置有TMD质量块(6)，TMD质量块(6)两侧均通过连接件(15)与TMD安装支座(2)相连接，连接件(15)上均套接有TMD线性弹簧(8)，TMD安装支座(2)和TMD质量块(6)之间均还设置有TMD阻尼器(9)，TMD阻尼器(9)的一端固定连接在TMD安装支座(2)上，另一端均连接有TMD质量块(6)；所述滑轨(4)的下方设置有NES质量块(7)，NES质量块(7)两侧均依次设置有NES阻尼(14)和NES非线性弹簧(13)，NES非线性弹簧(13)的末端固定连接在主结构(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述NES安装支座(3)呈中空结构，在NES安装支座(3)中部与滑轨等高的位置向上设置有凸台，用于安装TMD质量块(6)。
3.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述TMD安装支座(2)和NES安装支座(3)均通过螺栓(12)固定在主结构(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述TMD线性弹簧(8)和NES非线性弹簧(13)相互垂直设置。
5.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述连接件(15)包括两部分，一部分截面呈一字型与TMD质量块(6)固定连接，另一部分截面呈U字形，其末端通过铰接槽(10)活动连接至TMD安装支座(2)上，两个部分相互套接。
6.根据权利要求5所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述铰接槽(10)通过螺栓(12)固定在TMD安装支座(2)上。
7.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述TMD线性弹簧(8)是空气弹簧、螺旋弹簧，TMD线性弹簧(8)的数量可设置有多个。
8.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述NES非线性弹簧(13)通过弹性弦、橡胶材料实现立方刚度。
9.根据权利要求1所述的一种并入非线性能量阱的调谐质量阻尼器减振***，其特征在于，所述TMD阻尼器(9)选用粘滞阻尼，NES阻尼(14)选用液压阻尼。
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