TWI622718B - 衝擊式半主動質量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種衝擊式半主動質量阻尼器,其主要包含有一控制質量塊,該控制質量塊連結一活動單元,該活動單元包括有一端對應與該控制質量塊連結的彈性元件及活動接頭,該活動接頭包含一穿過套筒的滑桿,該套筒內設有鎖定件及切換元件,該滑桿連結彈性元件,並讓該活動接頭連結一致動器,所述致動器受一控制器操控,並驅使該活動接頭能於適當時機對應於彈性元件分離或結合;藉此,利用活動接頭可以選擇性地鎖定一個方向的運動,使其可準確而自動地在控制質量塊與受控制結構物短暫衝擊(結合)後分離,避免分離動作的延遲,更能簡化控制律,並且不需要大量能量供應即可運作,達到提高受控制結構物安全性的目的。
Description
本發明係有關於一種衝擊式半主動質量阻尼器,尤指一種用於減少建築、土木結構物在動力荷載下振動反應的質量阻尼器技術;本發明旨在以具備半自動化的可控制分離或結合狀態的質量阻尼器實施半主動減震控制,尤指控制質量塊具有受控制結構兩倍以上自然振動頻率,並能克服傳統調諧質量阻尼器可能發生的離頻現象,並能提高質量阻尼器的減震效果為其應用發明者。
按,質量阻尼器(Mass damper)是一種結構、機械減震技術領域,用於減少結構物在動態荷載下的振動反應,如位移、速度及加速度等。其特點為:在結構物特定部位裝設一相對於結構物較輕的質量塊,結構物與質量塊之間以特定方式連結並產生互制作用力。其設計主要重點為使其互制作用力可以有效率地減少主結構物振動反應;次要重點則是(1)讓質量塊及其聯結系統吸收主結構能量並有效地消散掉,以及(2)防止質量塊有過鉅的反應而危害到主結構物。
質量阻尼器技術可以概分為(1)被動調諧質量阻尼器、(2)主動質量阻尼器、(3)半主動質量阻尼器等三大類,亦有混合前面任二者或全部的第四種,(4)混合質量阻尼器。而上述阻尼器在使用上均不盡理想,故發明人於先前針對上述阻尼器缺失而研發並於台灣提出申請第105140646號一種衝擊式半主動質量
減震裝置,其主要於受控制結構物上安裝有衝擊式半主動質量減震裝置,其包含有:一控制質量塊,為設置在該受控制結構物上滑動的剛性物體;一活動單元,係設置於該控制質量塊和該受控制結構物之間,其包括有一端與該控制質量塊連結的彈性元件及一活動接頭,該活動接頭為一分離或結合切換開關,係對應與該彈性元件另一端連結,並能即時控制切換與彈性元件分離或結合動作;一振動感測單元,為用來感應該受控制結構物和該控制質量塊的振動反應,係包括有一連結在該受控制結構物上的結構物振動感應器,及一連結在該控制質量塊上的控制質量振動感應器;一控制器,係分別對應與該結構物振動感應器及該控制質量振動感應器連結並接收感應訊號,且該控制器連結該活動接頭,並依感應訊號控制活動接頭分離或結合動作切換者。
然而,該活動接頭為一可接受控制器之控制訊號切換的制動裝置,而制動裝置可採用的類型很多,如摩擦式、電磁式、插梢式、壓電式等等,但要如何達到所需功效為發明人所積極研究的課題之一;故發明人秉持多年該相關行業之豐富研究、設計開發及實際製作經驗,針對原創結構再予以研究改良,提供一種衝擊式半主動質量阻尼器,以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種衝擊式半主動質量阻尼器,尤其是指一種控制質量塊具有受控制結構兩倍以上自然振動頻率,並能克服傳統調諧質量阻尼器可能發生的離頻現象,並能提高質量阻尼器的減震效果為其目的。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器之使用方法主要目的與功效,係由以下具體技術手段所達成:
其主要包含有一控制質量塊,該控制質量塊連結一活動單元,該活動單元包括有一端對應與該控制質量塊連結的彈性元件及活動接頭,該活動接頭包含一穿過套筒的滑桿,該套筒內設有鎖定件及切換元件,該滑桿連結彈性元件,並讓該活動接頭連結一致動器,所述致動器受一控制器操控,並驅使該活動接頭能於適當時機對應於彈性元件分離或結合;藉此,利用活動接頭可以選擇性地鎖定滑桿一個方向的運動,使其可準確而自動地在控制質量塊與受控制結構物短暫衝擊(結合)後分離,避免分離動作的延遲,更能簡化控制律,並且不需要大量能量供應即可運作,達到提高受控制結構物安全性的目的。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中所述受控制結構物為指如建築物、橋塔、及其他易受動態作用力而振動的結構物者。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中該振動感測單元主要為用來感應受控制結構物和控制質量塊的振動反應,其包含一連結在受控制結構上的結構物振動感應器,以及一連結在控制質量塊上的控制質量振動感應器;該結構物振動感應器可測量受控制結構物在活動接頭處的加速度反應或速度反應,而控制質量振動感應器可測量控制質量塊的絕對加速度反應或絕對速度反應或其相對於受控制結構物間的相對加速度或相對速度或相對位移反應者。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中該控制器與振動感測單元及活動接頭間的連結方式可採用有線或無線傳輸。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中進一步包含有一固定單元,該固定單元之一端固定於受控制結構物上,而另一端固定於控制質量塊上,當控制質量塊與受控制結構物有相對運動時,可產生促使控制質量塊回復平衡位置的力量以及消散能量的力量;進一步該固定單元包含一可產生促使控制質量塊回復平衡位置的固定回彈件,及一可消散能量的消能元件者。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中該固定回彈件可採用彈簧、向上彎曲軌道或單擺懸掛裝置,或其相似功能裝置其中一種。
本發明衝擊式半主動質量阻尼器的較佳實施例,其中該消能元件的功能是消散控制質量塊至受控制結構物的能量,其可以是摩擦力、黏滯阻尼力、黏彈作用力、液壓力、塑性遲滯力來源,又可分為被動或半主動消能器。
(A)‧‧‧受控制結構物
(1)‧‧‧控制質量塊
(2)‧‧‧活動單元
(21)‧‧‧彈性元件
(22)‧‧‧活動接頭
(221)‧‧‧套筒
(2210)‧‧‧內徑
(2211)‧‧‧環凸部
(2212)‧‧‧傾斜段
(2213)‧‧‧長槽
(222)‧‧‧滑桿
(223)‧‧‧切換元件
(224)‧‧‧推桿
(225)‧‧‧鎖定件
(226)‧‧‧抵掣彈性件
(227)‧‧‧蓋板
(228)‧‧‧致動器
(3)‧‧‧振動感測單元
(31)‧‧‧結構物振動感應器
(32)‧‧‧控制質量振動感應器
(4)‧‧‧控制器
(5)‧‧‧固定單元
(51)‧‧‧固定回彈件
(52)‧‧‧消能元件
第一圖:本發明之架構組成示意圖。
第二圖:本發明之活動接頭立體分解示意圖。
第三圖:本發明之活動接頭動作示意圖(右移)。
第四圖:本發明之活動接頭動作示意圖(左移)。
第五圖:本發明控制律流程示意圖。
第六圖:本發明控制律簡化示意圖。
第七圖:(a)~(d)表示本發明活動接頭各種連接方式示意圖。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露,茲於下詳細說明之,並請一併參閱所揭之圖式及圖號:
首先,本發明實際運用技術與手段,請參閱第一圖所示,為本發明衝擊式半主動質量阻尼器示意圖,其主要於受控制結構物(A)上安裝有衝擊式半主動質量阻尼器,其包含有:一控制質量塊(1),為設置在該受控制結構物(A)上滑動的剛性物體;
一活動單元(2),係設置於該控制質量塊(1)和該受控制結構物之間,其包括有一端與該控制質量塊(1)連結的彈性元件(21)及一活動接頭(22),該活動接頭(22)為一分離或結合切換開關,係對應與該彈性元件(21)連結,並能即時控制切換與彈性元件(21)分離或結合動作,其中該活動接頭(22)包含有一套筒(221),該套筒(221)內徑(2210)設有環凸部(2211),該環凸部(2211)兩側設有傾斜段(2212),該傾斜段(2212)與內徑(2210)相連結,再於該環凸部(2211)上設有至少一長槽(2213),該長槽(2213)連通至該套筒(221)外部,再於該套筒(221)內徑(2210)穿設一滑桿(222),該滑桿(222)一端與彈性元件(21)連結,該滑桿(222)上套設一切換元件(223),該切換元件(223)位於該環凸部(2211)處,且該切換元件(223)對應該長槽(2213)處設有一推桿(224),該推桿(224)穿設該長槽(2213),並於一端對應與一致動器(228)連結作用,該致動器(228)能驅使帶動切換元件(223)位移,再於該切換元件(223)兩側分別設有數鎖定件(225),數鎖定件(225)位於該套筒(221)內徑(2210)的該傾斜段(2212)處並環繞在該滑桿(222)外徑周圍,再於該滑桿(222)兩側套設抵掣彈性件(226),該抵掣彈性件(226)分別對應抵掣於數鎖定件(225),於該套筒(221)兩端分別設有蓋板(227),該蓋板(227)供該滑桿(222)穿出並將該抵掣彈性件(226)封閉於內徑(2210);一振動感測單元(3),為用來感應該受控制結構物(A)和該控制質量塊(1)的振動反應,係包括有一連結在該受控制結構物(A)上的結構物振動感應器(31),及一連結在該控制質量塊(1)上的控制質量振動感應器(32);
一控制器(4),係分別對應與該結構物振動感應器(31)及該控制質量振動感應器(32)連結並接收感應訊號,且該控制器(4)連結控制該致動器(228),能依該控制器(4)感應訊號控制該致動器(228)驅動該活動接頭(22)之推桿(224)作動,而控制該切換元件(223)執行分離或結合動作切換者。
請再參閱第一圖所示,本發明衝擊式半主動質量阻尼器安裝在受控制結構物(A)上,而所指的受控制結構物(A)係如建築物、橋塔、及其他易受動態作用力而振動的結構物,藉以降低受控制結構物(A)的振動反應,而達到提高受控制結構物(A)安全性的目的。首先,詳細解釋本發明之各構件所具之特性與執行實施的效用與功能:該控制質量塊(1)主要為設置在受控制結構物(A)上滑動的剛性物體,其質量介於受控制結構物(A)總質量的0.5~15%之間。而該活動單元(2)介於控制質量塊(1)和受控制結構物(A)之間,包含一具有切換式功能的彈性元件(21)及一活動接頭(22)。該彈性元件(21)一端與控制質量塊(1)連結,另一端成為半自由端,所謂之半自由端為經活動接頭(22)切換形成分離或結合[即自由或拘束的半自由端狀態]。續,該活動接頭(22)為開或關[分離或結合]切換,一端與受控制結構物(A)連結,另一端由彈性元件(21)之半自由端通過,以下說明活動接頭(22)的切換動作:其主要為利用斜面原理,請參閱第三圖所示,當該致動器(228)接收控制器(4)訊號而作動,以驅使推桿(224)帶動該切換元件(223)右移時,其切換元件(223)抵掣右側鎖定件(225)後退離開傾斜段(2212),同時該鎖定件(225)抵壓抵掣彈性件(226),而左側之抵掣彈性件(226)則對應頂壓左側鎖定件(225)進入傾斜段(2212),讓鎖定件(225)能緊迫鎖住滑桿(222);因此,當滑桿(222)
受力向右滑動時,將自動鎖定不允許其滑桿(222)向右方移動;反之,若滑桿(222)受力向左滑動,則左側鎖定件(225)正向力消失,不具備鎖定力量,滑桿(222)得以自由向左方移動。
如同上述,請參閱第四圖所示,當該致動器(228)接收控制器(4)訊號而作動,以驅使推桿(224)帶動該切換元件(223)左移時,其切換元件(223)抵掣左側鎖定件(225)後退離開傾斜段(2212),同時該鎖定件抵壓抵掣彈性件(226),而右側之抵掣彈性件(226)則對應頂壓右側鎖定件(225)進入傾斜段(2212),讓右側鎖定件(225)能緊迫鎖住滑桿(222);當滑桿(222)受力向左滑動時,將自動鎖定不允許其滑桿(222)向左方移動;反之,若滑桿(222)受力向右滑動,則右側鎖定件(225)正向力消失,不具備鎖定力量,滑桿(222)得以自由向右方移動。因此,活動接頭(22)可以選擇性地鎖定一個方向的運動。將活動接頭(22)應用在衝繫式半主動質量阻尼器中,可以準確而自動地在質塊與結構短暫衝擊(結合)之後分離。本性能除了避免分離動作的延遲之外,更能簡化控制律,對於控制機構的可靠性有很大助益。
當該活動接頭(22)切換為”開”狀態時,該彈性元件(21)半自由端處於自由狀態,可對受控制結構物(A)做相對移動,因此當控制質量塊(1)對受控制結構物(A)的相對位置改變時,彈性元件(21)不會變形而沒有內力,因此,該彈性元件(21)處於不受力狀態;反之,當活動接頭(22)切換為”關”狀態時彈性元件(21)半自由端處於拘束狀態,不能對受控制結構物(A)做相對移動,因此當控制質量塊(1)對受控制結構物(A)的相對位置改變時,該彈性元件(21)會變形而有內力。
接著,該振動感測單元(3)主要用以感應受控制結構物(A)和控制質量塊(1)的振動反應,包含一連結在受控制結構物(A)上的結構物
振動感應器(31)以及一連結在控制質量塊(1)上的控制質量振動感應器(32)。該結構物振動感應器(31)可測量受控制結構物(A)在活動接頭(22)處的加速度反應或速度反應;該控制質量振動感應器(32)可測量控制質量塊(1)的絕對加速度反應或絕對速度反應或其相對於受控制結構物(A)的相對加速度或相對速度或相對位移反應。
而控制器(4)的功能是即時連續接收該結構物振動感應器(31)和該控制質量振動感應器(32)的感應訊號;然後,依據控制邏輯決定該活動接頭(22)的開或關命令,並即時將控制命令傳送到活動單元(2)中的活動接頭(22),控制該推桿(224)與切換元件(223)使其產生相應的開或關動作。進一步該控制器(4)與上述二振動感應器及活動接頭(22)間的連線可以是有線或無線。
除了上述的構件之外,本發明衝擊式半主動質量阻尼器進一步包含有一固定單元(5),該固定單元(5)之一端固定於受控制結構物(A)上,而另一端固定於控制質量塊(1)上,當控制質量塊(1)與受控制結構物(A)有相對運動時,可產生促使控制質量塊(1)回復平衡位置的力量以及消散能量的力量;進一步該固定單元(5)包含一可產生促使控制質量塊回復平衡位置的固定回彈件(51),及一可消散能量的消能元件(52)者。以下再詳加說明:
該固定單元(5)包含一固定回彈件(51)及一消能元件(52),該固定單元(5)之一端固定於受控制結構物(A)上、另一端固定於該控制質量塊(1)上,當該控制質量塊(1)與受控制結構物(A)有相對運動時,可產生促使控制質量塊(1)回復平衡位置的力量以及消散能量的力量。進一步該固定回彈件(51)可以是彈簧、向上彎曲軌道或單擺懸掛裝置等,或其相似功能裝置。而該消能元件(52)的功能是消散該控制質量塊及受控制結構
物能量,可以是摩擦力、黏滯阻尼力、黏彈作用力、液壓力、塑性遲滯力來源,又可分為被動和半主動消能器。
然而,本發明中有固定單元(5)的原因是:(1)固定回彈件(51)用於控制該控制質量塊(1)的位移量,避免其過大而失去使用性。(2)消能元件(52)用於消散系統中的機械能,並避免該控制質量塊(1)過大的位移量。
由上述的說明可知本發明結構裝置的組裝技術與特點,然而,執行本發明裝置之技術方法與原理,以下說明之。首先,控制質量塊(1)的自然振動頻率由以下公式計算:
先前技術中的調諧質量阻尼器技術要求控制質量塊(1)的自然振動頻率和受控制結構物(A)的基本自動振動頻率之比值接近於1,通常以介於0.9~1.0之間為最佳。一旦頻率比稍微小於或大於最佳比值時,其消能減震效果就會大打折扣,甚至完全沒有減震效果。此現象稱為離頻效應(Detuning effect),其消能減震效果的流失來自於其控制質量塊(1)的自然頻率與受控制結構物(A)基本自然頻率不諧合時,有對受控制結構物(A)作正功的可能性,當作正功的量與作負功的量相當時,消能效果自然盡失。
然而,本發明之衝擊式半主動質量阻尼器旨在儘可能放大控制質量塊(1)對受控制結構物(A)所作的負功,及儘可能減少作正功之量。為達到此目的,本發明限制控制質量塊(1)自然頻率必須大於或等於受控制結構物(A)基本自然頻率的兩倍,亦即下式成立:
控制質量塊自然振動頻率2×受控制結構物基本自然頻率;
控制質量塊(1)連結有兩個彈性物件,其一為可在開與關之間切換的彈性元件(21),另一為固定不變的固定回彈件(51)。本發明限制其彈性元件(21)的彈力係數至少佔總彈力係數的四分之三,因此,當彈性元件(21)處於”關”狀態時控制質量塊(1)的有效自然振動頻率為受控制結構物(A)基本自然頻率的兩倍以上;反之,當彈性元件(21)處於”開”狀態時控制質量塊(1)的有效自動振動頻率可能只剩受控制結構物基本自然頻率的一半,或更小。
進一步說明,請配合第五圖所示,假設目前活動接頭處於”開”狀態,且受控制結構物(A)向右方運動,而控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)向左運動。此時,若將活動接頭(22)狀態切換為”關”,則彈性元件將變形,對受控制結構物(A)施加向左的力量,對控制質量塊(1)施加向右的力量。受控制結構物(A)向右運動速度因而減少;而控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的相對向左運動速度亦減少,甚至於漸漸轉為相對向右運動。轉為相對向右運動初期彈性元件(21)的內力仍然在減少受控制結構物(A)的運動速度,亦即作負功,並且增加控制質量塊(1)對受控制結構物(A)的相對向右運動速度。彈性元件(21)的內力隨著相對運動速度的變化,漸漸歸零,並開始變成對受控制結構物(A)的作用力與受控制結構物(A)的運動方向相同,也就是開始做正功。在即將開始對受控制結構物(A)作正功的瞬間將活動接頭狀態切換為”開”,即可避免對受控制結構物(A)施加正功。而此時控制質量塊(1)受控制結構物(A)吸收了大量的動能,可以在下次結合的時機發揮更大的衝擊力及減震互制力。為了放大作負功的量,必須讓負功儘快作完,因此本發明限制控制質量塊(1)自然頻率必須大於或等於受控制結構物(A)基本自然頻率的兩倍。
在上述說明中,影響對受控制結構物(A)作負功能力的主要因素是活動接頭(22)狀態的切換時機。本方法的基本邏輯是:儘可能對受控制結構物(A)施加負功,並避免施加正功。為達成本發明目的,採用振動感測單元(3)連續地測量受控制結構物(A)的速度與加速度反應,以及控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的相對運動方向。因為速度反應可以由加速度反應積分而得,或加速度反應可由速度反應微分而得,所以該結構物振動感應器(31)可以量測其中一種反應即可。至於控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的相對運動方向可由相對加速度積分而得,也可由相對位移微分而得,所以該控制質量振動感應器(32)可以是加速度計或速度計或位移計。
當控制器(4)不斷地由該結構物振動感應器(31)和該控制質量振動感應器(32)收集振動反應,並依照控制邏輯決定應將活動接頭狀態切換為”開”或”關”,此控制邏輯稱為控制律(Control law);本發明之衝擊式半主動質量減震方法的控制律如下:
若活動接頭狀態為“開”,則當(W V V S -W A A S )×V CS 0時切換為“關”;若活動接頭狀態為“關”,則當V S ×D CS >0時切換為“開”;上式中,V S 為受控制結構物運動速度,向右為正;A S 為受控制結構物運動加速度,向右為正;V CS 為控制質量塊相對於受控制結構物的運動速度,向右為正;D CS 活動接頭切換為關之後控制質量塊相對於受控制結構物的位移量,相當於彈性元件的變形量。當V S ×D CS >0表示將對受控制結構物作正功;W V 為速度權重,可為大於或等於0的常數;W A 為加速度權重,亦可為大於或等於0的常數。
本發明控制律和習知半主動控制律的主要差異是考慮了結構加速度反應,可以更高地提高減震效果。依此控制律,活動接頭的閉合時機必須考慮
到受控制結構物(A)的加速度,而事實上在其運動時是在感測速度變化的趨勢,所以可以不需要加速度感測器,只要在控制器(4)中以速度感測值進行一次差分或由位移計中進行二次差分運算。同理,受控制結構物(A)的速度反應也可由加速度反應一次積分或由位移反應一次差分而得。
實際實施例說明-在此以沒有使用固定單元(5)的設置、速度權重(W V )為零的情況說明本發明衝擊式半主動質量阻尼器在受控制結構物(A)受到動態外力作用下的運作情形,以協助了解其減震效能。步驟如下:
步驟1-在外力作用之前受控制結構物(A)與衝擊式半主動質量阻尼器皆處於靜止狀態,此時活動接頭(22)處於”關”的狀態。當外力作用而使受控制結構物(A)開始向右運動(V S >0),控制質量塊(1)因慣性處於靜止狀態,因此控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)開始向左運動(V CS <0),其相對於受控制結構物(A)的相對位移量也是向左,故為負值(D CS <0)。所以依據控制律,活動接頭(22)仍應保持在”關”的狀態,控制質量塊(1)的速度漸漸增加。目前處於時間點A-B之間。受控制結構物(A)位移由接近原點往右增加中、速度處於向右最大值並在下降、加速度則是剛由零轉為負。控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的位移是負的,所以彈性元件(21)對受控制結構物(A)的作用力向左為負。
步驟2-經過一段時間後控制質量塊(1)的運動速度超過受控制結構物(A),控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的位移(彈性元件)終將回復為零(D CS =0)。參考時間點B,此時受控制結構物(A)和控制質量塊(1)都向右運動(速度為正),且控制質量塊(1)的速度比較大。再下一個時間點,控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的位移變成正值(D CS >0),符合控制律將活動接頭(22)切換為”開”的條件,故打開活動接頭(22)。
步驟3-由於活動接頭(22)打開,控制質量塊(1)繼續等速向右運動,而受控制結構物(A)在向右運動時其彈性回復力(主要來自柱力的變形)向左,故受控制結構物(A)的加速度為負(A S <0)。此為時間點B-C之間。隨著時間變化,在時間點C時,受控制結構物(A)為向左運動,且受控制結構物(A)回到其中性位置,加速由負值回歸為零(A S =0)。所以符合控制律將活動接頭(22)切換為”關”的條件,故接下來控制質量塊(1)和受控制結構物(A)再次結合一體。
步驟4-結構因慣性作用繼續向左運動(V S <0),但是控制質量塊(1)向右運動推動彈性元件變形,而使得彈性元件(21)對受控制結構物(A)施加向右的力量,於是對受控制結構物(A)做負功,此為時間點C-D之間。由於控制質量塊(1)的自然振動頻率比受控制結構物(A)為高,所以在受控制結構物(A)再次改變運動方向前控制質量塊(1)的運動速度便己反轉,並以更快的速度向左運動,使得控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的速度為負(V CS <0),甚至在時間點D時使得控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的相對位移量為由正轉負(D CS <0)。此時符合控制律將活動接頭(22)切換為”開”的條件。所以打開活動接頭(22),可以避免對受控制結構物(A)作正功。此後,受控制結構物(A)向控制質量塊(1)皆向左運動,且控制質量塊(1)的速度比較大。
步驟5-由於活動接頭(22)打開,控制質量塊(1)繼續等速向左運動,而受控制結構物(A)在向左運動時,其彈性回復力(主要來自柱力的變形)向右,故受控制結構物(A)的加速度為正(A S >0)。此為時間點D-E之間。隨著時間變化,在時間點E時,受控制結構物(A)為向右運動,且受控制結構物(A)回到其中性位置,加速由負值回歸為零(A S =0)。所以再次符合控制律將
活動接頭(22)切換為”關”的條件,故接下來控制質量塊(1)和受控制結構物(A)再次結合一體。
步驟6-結構因慣性作用繼續向右運動(V S >0),但是控制質量塊(1)向左運動推動彈性元件(21)變形,而使得彈性元件(21)對受控制結構物(A)施加向左的力量,於是對受控制結構物(A)做負功,此為時間點E-F之間。由於控制質量塊(1)的自然振動頻率比受控制結構物(A)為高,所以在受控制結構物(A)再次改變運動方向前控制質量塊(1)的運動速度便己反轉,並以更快的速度向右運動,使得控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的速度為正(V CS >0),甚至在時間點F時使得控制質量塊(1)相對於受控制結構物(A)的相對位移量為由負轉正(D CS >0)。此時符合控制律將活動接頭(22)切換為”開”的條件。所以打開活動接頭(22),可以避免對受控制結構物(A)作正功。此後,受控制結構物(A)向控制質量塊(1)皆向右運動,且控制質量塊(1)的速度比較大。
步驟7-以上步驟3-6重復切換,在外力消失後,再為系統中不可避免的消能作用,控制質量塊(1)和受控制結構物(A)將回復靜止平衡狀態。為了加速回復靜止平衡狀態,可以使用固定單元(5)中的消能元件(52),增補消能作用。在此,再以沒有使用固定單元(5)的設置、速度權重(W V )為正值的情況說明本發明衝擊式半主動質量阻尼器在受控制結構物(A)受到動態外力作用下的運作情形,以協助了解其減震效能。
以上為衝擊式半主動質量阻尼器在受控制結構物(A)受到動態外力作用下的運作情形,基本減震效能的實施運作,然而,請參閱第六圖所示,本發明衝擊式半主動質量阻尼器中所運用之活動接頭(22)可以自動做”開”的動作之性質,因此,原控制律中判斷”開”的動作不再需要,可以將第五圖中的控制律簡化如第六圖所示,可進一步達到快速判斷的減震效果。
另外,請參閱第七圖(a)~(d)所示,為表示本發明之活動接頭各種連接方式的實施狀態,其本發明中的控制質量塊(1)可以進一步直接與滑桿(222)剛性連接,而活動接頭(22)與受控制結構物(A)之間再以彈性連接;以下列舉數個可實施的形態進行說明:
(a)為活動接頭(22)定位在受控制結構物(A)上,而滑桿(222)經彈性元件(21)與控制質量塊(1)連結[如同第一圖實施狀態]。
(b)為彈性元件(21)定位在受控制結構物(A)並連結活動接頭(22),而位於該活動接頭(22)內的滑桿(222)與控制質量塊(1)連結。
(c)為活動接頭(22)定位在控制質量塊(1)上,而彈性元件(21)一端定位在受控制結構物(A),該活動接頭(22)經滑桿(222)與控制質量塊(1)連結。
(d)為彈性元件(21)定位在控制質量塊(1)上並連結活動接頭(22),而該活動接頭(22)內的滑桿(222)與受控制結構物(A)連結。
以上為較佳之控制質量塊(1)、彈性元件(21)、活動接頭(22)、滑桿(222)連接方式,此數組合實施狀態能達到相同的減震效果;而實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式,並不限於此。任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾,皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
藉由以上所述,本發明系統之組成與使用實施說明可知,本發明與現有結構相較之下,具有下列優點:
本發明衝擊式半主動質量阻尼器,主旨在提出一種根據動力學特性推導的控制律之半主動質量阻尼器,使用主結構基本自然頻率兩倍以上的控制質量塊頻率,可以提供比前述各種阻尼器更高的減震效果;其特色在於:控制律以及控制質量塊的頻率與習知半主動質量阻尼器的差異。
綜上所述,本發明實施例確能達到所預期之使用功效,又其所揭露之具體構造,不僅未曾見諸於同類產品中,亦未曾公開於申請前,誠已完全符合專利法之規定與要求,爰依法提出發明專利之申請,懇請惠予審查,並賜准專利,則實感德便。
Claims (6)
- 一種衝擊式半主動質量阻尼器,其主要於受控制結構物上安裝有衝擊式半主動質量阻尼器,其包含有:一控制質量塊,為設置在該受控制結構物上滑動的剛性物體;一活動單元,係設置於該控制質量塊和該受控制結構物之間,其包括有一端與該控制質量塊連結的彈性元件及一活動接頭,該活動接頭為一分離或結合切換開關,係對應與該彈性元件另一端連結,並能即時控制切換與彈性元件分離或結合動作,其中該活動接頭包含有一套筒,該套筒內徑設有環凸部,該環凸部兩側設有傾斜段,該傾斜段與內徑相連結,再於該環凸部上設有至少一長槽,該長槽連通至該套筒外部,再於該套筒內徑穿設一滑桿,該滑桿一端與彈性元件連結,該滑桿上套設一切換元件,該切換元件位於該環凸部處,且該切換元件對應該長槽處設有一推桿,該推桿穿設該長槽,並於一端對應與一致動器連結作用,該致動器能驅使帶動切換元件位移,再於該切換元件兩側分別設有數鎖定件,數鎖定件位於該套筒內徑的該傾斜段處並環繞在該滑桿外徑周圍,再於該滑桿兩側套設抵掣彈性件,該抵掣彈性件分別對應抵掣於數鎖定件,於該套筒兩端分別設有蓋板,該蓋板供該滑桿穿出並將該抵掣彈性件封閉於內徑;一振動感測單元,為用來感應該受控制結構物和該控制質量塊的振動反應,係包括有一連結在該受控制結構物上的結構物振動感應器,及一連結在該控制質量塊上的控制質量振動感應器;一控制器,係分別對應與該結構物振動感應器及該控制質量振動感應器連結並接收感應訊號,且該控制器連結控制該致動器,能依該控制器感應訊號控制該致動器驅動該活動接頭之推桿作動,而控制該切換元件執行分離或結合動作切換者。
- 如申請專利範圍第1項所述之衝擊式半主動質量阻尼器,其中該控制質量塊之質量介於受控制結構物總質量的0.5~15%之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之衝擊式半主動質量阻尼器,其中進一步包含有一固定單元,該固定單元之一端固定於受控制結構物上,而另一端固定於控制質量塊上,且該固定單元包括一可產生促使控制質量塊回復平衡位置的固定回彈件及一可消散能量的消能元件,能於該控制質量塊與受控制結構物有相對運動時,可產生促使控制質量塊回復平衡位置的力量以及消散能量的力量。
- 如申請專利範圍第1項所述之衝擊式半主動質量阻尼器,其中該控制器與所述振動感測單元的結構物振動感應器、控制質量振動感應器及該活動接頭間的訊號傳輸係採用有線、無線其一電信連結。
- 如申請專利範圍第2項所述之衝擊式半主動質量阻尼器,其中該控制質量塊振動感應器採用加速度計、速度計、位移計其一。
- 如申請專利範圍第3項所述之衝擊式半主動質量阻尼器,其中該固定回彈件可採用彈簧、向上彎曲軌道、單擺懸掛裝置其一。
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