CN220953977U - 悬臂弹簧摆复合吸能减振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，悬臂弹簧摆复合吸能减振装置安装在受控结构上，包括柔性圆柱支杆、弹簧和悬挂物；柔性圆柱支杆的一端固定在受控结构上，另一端贯穿所述悬挂物；弹簧套设在所述柔性圆柱支杆外，且一端固定在所述受控结构上，另一端与所述悬挂物连接，所述悬挂物随所述弹簧的弹性变形能够沿柔性圆柱支杆运动，且当所述弹簧拉伸到极限位置时，悬挂物到所述受控结构的距离小于柔性圆柱支杆的自由端到受控结构的距离，该装置能够根据实际受控结构进行调整设计，应用范围更加广泛，并通过引入弹簧摆内共振效应，通过柔性圆柱支杆的摆动和弹簧的伸缩，进一步提升吸能减振效果。

Description

悬臂弹簧摆复合吸能减振装置

技术领域

本实用新型涉及高柔结构的减振技术领域，尤其涉及悬臂弹簧摆复合吸能减振装置。

背景技术

高层建筑、海上风机、大跨场馆、桥梁等高柔结构在地震、飓风、爆炸以及冲击等动力灾害作用下易发生强烈振动，进而导致结构损伤破坏。因此降低结构响应，确保其在各类动力荷载作用下安全、稳定的运行具有重要意义，目前，结构振动控制技术已广泛应用于各类结构的消振抑振中。

结构振动控制技术主要包含主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制四类。其中，被动控制因其具有无须能量输入、设计简单、安装方便、原理明确等特点得到了大量应用。摆式吸能装置是被动控制装置的典型代表，通过控制摆长，可以将该装置的振动频率与受控结构的频率调谐，将部分振动能量从受控结构转移到吸能装置中，从而减小受控结构的动力响应，摆式吸能装置通常由一个摆线与一个重物构成，摆线长度由受控结构频率确定，重物质量通常为受控结构模态质量的2％～3％，以期在合适的成本投入下获得较好的减振效果。然而实际中，当受控结构频率较高时，摆线的理论长度过短，甚至会低于重物的直径，例如，受控结构的自振圆频率f＝2.01Hz，通过摆线长度与振动频率的计算公式得出摆线长度为6cm，而与受控结构质量比为2％的重600kg的铅球半径为23.3cm，通常摆线与重物的连接点位于质心，对于球体即圆心，而半径长度大于摆线长度，从而无法实现该吸能装置的设置，导致该装置应用范围具有局限性。

实用新型内容

本实用新型提供一种悬臂弹簧摆复合吸能减振装置及设计方法，以克服当受控结构频率较高时，吸能装置的摆线的理论长度过短，导致无法实现减振功能，应用范围具有局限性的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，安装在受控结构上，包括柔性圆柱支杆、弹簧和悬挂物；

所述柔性圆柱支杆的一端固定在所述受控结构上，另一端贯穿所述悬挂物；所述弹簧套设在所述柔性圆柱支杆外，且一端固定在所述受控结构上，另一端与所述悬挂物连接，所述悬挂物随所述弹簧的弹性变形能够沿所述柔性圆柱支杆运动，且当所述弹簧拉伸到极限位置时，所述悬挂物到所述受控结构的距离小于所述柔性圆柱支杆的自由端到所述受控结构的距离。

具体地，所述柔性圆柱支杆为钢材或碳纤维材料或玻璃纤维材料或硅胶材料制成。

具体地，所述悬挂物为球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或者正棱柱结构悬挂物。

具体地，所述柔性圆柱支杆贯穿所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物，且轴线与所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物的轴线重合。

具体地，所述悬挂物的质量为所述受控结构的质量的2％～3％。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的结构图；

图2为本实用新型中悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的设计步骤图；

图3为本实用新型中悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的运动方式示意图；

图4为本实用新型中悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的仿真结果图；

图中：1、受控结构；2、柔性圆柱支杆；3、弹簧；4、悬挂物。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提出一种由柔性圆柱支杆支撑的吸能减振装置，通过设计支杆刚度可延长摆式吸振装置的长度，同时通过引入弹簧摆内共振效应，可以进一步提升结构吸能效果，进而强化振动控制效果。

基于上述原理，本实施例提供了一种悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，如图1所示，安装在受控结构1上，其特征在于，包括柔性圆柱支杆2、弹簧3和悬挂物4；

所述柔性圆柱支杆2的一端固定在所述受控结构1上，另一端贯穿所述悬挂物4；所述弹簧3套设在所述柔性圆柱支杆2外，且一端固定在所述受控结构1上，另一端与所述悬挂物4连接，所述悬挂物4随所述弹簧3的弹性变形能够沿所述柔性圆柱支杆2运动，且当所述弹簧3拉伸到极限位置时，所述悬挂物4到所述受控结构1的距离小于所述柔性圆柱支杆2的自由端到所述受控结构1的距离。

具体地，所述柔性圆柱支杆2为钢材或碳纤维材料或玻璃纤维材料或硅胶材料制成。

具体地，所述悬挂物4为球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或者正棱柱结构悬挂物。

具体地，所述柔性圆柱支杆2贯穿所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物，且轴线与所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物的轴线重合。

具体地，所述悬挂物4的质量为所述受控结构1的质量的2％～3％。

本实施例中所述悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的具体设计方法如图2所示，包括如下步骤：

S1：获取需要安装所述悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的受控结构1的频率信息和质量信息；

S2：基于受控结构1的频率信息和质量信息确定所述悬臂弹簧摆复合吸能减振装置中的柔性圆柱支杆2的横截面直径和长度、弹簧刚度和弹簧原始长度以及悬挂物4的质量；

S3：基于确定的柔性圆柱支杆2的横截面直径和长度、弹簧刚度和弹簧原始长度以及悬挂物4的质量设计所述悬臂弹簧摆复合吸能减振装置。

具体地，S1中，受控结构1的频率信息计算公式为：

其中，k₁为受控结构的刚度，m₁为受控结构质量。

具体地，S2中，基于受控结构1的频率信息能够确定所述悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的摆动频率为：

基于内共振原理确定弹簧振动模态频率为：

f_spring＝2f_pendulum

基于所述受控结构1的质量信息确定悬挂物4的质量为：

m₂＝μ·m₁

其中，μ＝2％～3％；

基于弹簧振动模态频率和悬挂物4的质量确定弹簧刚度为：

k_s＝m₂(2πf_spring)²

所述柔性圆柱支杆2的横截面直径和弹簧3悬挂悬挂物4后的拉伸长度之间的关系满足下式：

l₀＝l_ori+m₂g/k_s；

其中，E为柔性圆柱支杆所使用材料的弹性模量，I为惯性矩，l₀为弹簧悬挂悬挂物后的拉伸长度，d_s为柔性圆柱支杆的横截面直径，l_ori为弹簧原始长度，g为重力加速度，

根据选择的柔性圆柱支杆2的横截面直径确定弹簧3悬挂悬挂物后的拉伸长度l₀，进而确定弹簧3的原始长度，所述柔性圆柱支杆2的长度保证当所述弹簧3拉伸到极限位置时，所述悬挂物4到所述受控结构2的距离小于所述柔性圆柱支杆2的自由端到所述受控结构1的距离。

本实施例中，优选地，设定柔性圆柱支杆2的长度l_s＝3l₀。

本实施例中，以某单自由度结构说明本实用新型的设计流程与减振效果，装置如图3所示，安装在厂房顶部中心位置：

某单层钢结构厂房可简化为单自由度结构，其质量m₁＝30吨＝30000kg，刚度k₁＝4800kN/m，则其自振圆频率ω₁＝12.65rad/s，

受控结构的振动频率为

本装置摆动模态频率为：

f_pendulum＝f₁＝2.01Hz

本装置弹簧振动模态频率为：

f_spring＝λ·f_pendulum＝2×2.01＝4.02Hz

基于所述受控结构的质量信息确定悬挂物的质量，取μ＝2％，则悬挂物的质量为：

m₂＝μ·m₁＝600kg

弹簧刚度k_s为：

k_s＝m₂(2πf_spring)²＝3.82×10⁵N/m

设定柔性圆柱支杆是横截面直径d_s＝20mm的钢棒，EI＝1517N/m²，k_s＝2.43×10⁴，根据公式l₀选取0.36m，则重600kg的铅球半径为0.23m，l_ori＝l₀-m₂g/k_s＝0.35m，本实验例中支杆长度l_s取3l₀＝1.08m。

具体地，柔性圆柱支杆的横截面直径可以根据实际需要选取，并根据公式确定出弹簧悬挂悬挂物后的拉伸长度，进而确定弹簧的原始长度。

测试基于上述方法设计的悬臂弹簧摆复合吸能减振装置的减振效果，受控结构的质量、刚度、阻尼分别为m₁、k₁和c₁，悬臂弹簧摆的质量和阻尼分别为m₂和c₂，由柔性圆柱支杆提供的刚度为k₂，以悬挂物在重力作用下平衡位置为坐标原点，建立结构-减振装置控制方程如下：

式中M、C、K为受控结构的质量、阻尼、刚度矩阵，M、K表达式如下：

阻尼矩阵C根据瑞雷阻尼Rayleigh确定，瑞雷阻尼作为正交阻尼模型中的一个特例，广泛应用于结构动力计算中，它是通过结构的质量矩阵和刚度矩阵正交组合计算的，其表达式如下：

[C]＝a₀[M]+a₁[K] (4)

式中，a₀为质量因子，a₁为刚度因子。a₀和a₁两个因子可以由第i阶的圆频率ω_i、第j阶的圆频率ω_j及主结构的阻尼比ξ确定，表达式为：

公式1中，X(t)分别为减振装置的加速度、速度与位移列向量，F(t)为外荷载列向量，当采用地震输入时：

其中，为地震加速度输入。

悬挂物振动时在水平方向的位移x₂与竖向方向的位移y₂满足如下关系：

式中，分别表示悬挂物在x、y轴方向上的加速度，x₁表示受控结构在x轴方向上的位移；

通过联立方程1与方程7按照龙格库塔法可解得系统动力响应。

基于上述方法测试本装置的减振效果，如图4所示，为Elcentro地震作用下受控结构的位移响应时程，从图中看出，悬臂弹簧摆明显降低了结构的位移响应，同时减震效果也优于传统的悬臂质量摆，因此本装置可实际应用进行减振。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，安装在受控结构(1)上，其特征在于，包括柔性圆柱支杆(2)、弹簧(3)和悬挂物(4)；

所述柔性圆柱支杆(2)的一端固定在所述受控结构(1)上，另一端贯穿所述悬挂物(4)；所述弹簧(3)套设在所述柔性圆柱支杆(2)外，且一端固定在所述受控结构(1)上，另一端与所述悬挂物(4)连接，所述悬挂物(4)随所述弹簧(3)的弹性变形能够沿所述柔性圆柱支杆(2)运动，且当所述弹簧(3)拉伸到极限位置时，所述悬挂物(4)到所述受控结构(1)的距离小于所述柔性圆柱支杆(2)的自由端到所述受控结构(1)的距离。

2.根据权利要求1所述的悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，其特征在于，所述柔性圆柱支杆(2)为钢材或碳纤维材料或玻璃纤维材料或硅胶材料制成。

3.根据权利要求2所述的悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，其特征在于，所述悬挂物(4)为球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或者正棱柱结构悬挂物。

4.根据权利要求3所述的悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，其特征在于，所述柔性圆柱支杆(2)贯穿所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物，且轴线与所述球体结构悬挂物或圆柱结构悬挂物或正棱柱结构悬挂物的轴线重合。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的悬臂弹簧摆复合吸能减振装置，其特征在于，所述悬挂物(4)的质量为所述受控结构(1)的质量的2％～3％。