一种具有多稳态的非线性能量阱装置的制作方法

本发明涉及一种减振耗能装置，特别是涉及一种具有多次稳态跃迁的非线性能量阱装置。

背景技术：

非线性能量阱装置由于其具有靶能量传递的特性，在航空中将其用来作为一种吸振耗能的装置，由于这种装置具有减振频带宽、吸振耗能效率高以及质量小等优点，已经逐渐尝试在土木工程领域中应用。现已广泛应用于高层结构抗震中的装置主要是调质阻尼器(tmd)，将这种阻尼器的自振频率调整至主结构的自振频率附近时，可以在一定程度上实现与主结构呈相反方向的调谐运动，从而减小主结构的振幅，并通过其自身附加的阻尼器装置消耗tmd中的能量，实现结构的减振。但这种装置只能针对主结构的振动基频附近产生良好的减振效果，一旦主结构受到较大冲击或者主结构在长时间服役之后由于其刚度的改变导致基频的变化抑或是tmd自身受到破坏，导致主结构的振动频率与tmd的基频有相差时，tmd就不会起到对主结构的减振作用。现有的非线性能量阱装置包括有立方刚度nes、负刚度nes、轨道型nes、附加单边碰振的轨道型nes以及弹簧摆nes等，这些能量阱装置具有较高的鲁棒性，较宽的吸振频带，并且能够吸收并消耗结构中的能量。

现有的非线性能量阱装置(nes)，其主要结构是由弹簧、振子以及阻尼器构成。其中弹簧是由一对刚度和长度都相等的弹簧组成，阻尼器大多采用的是碰撞阻尼或者摩擦阻尼，难以对nes装置的阻尼进行变换，故需要将阻尼可调的磁流变阻尼器引入其中，通过调节阻尼大小使得系统具有更优的靶能量传输与耗能效率。同时在nes装置中引入两对弹簧，提供更宽的吸振频带、更优的鲁棒性能以及更强的非线性恢复力。

本发明是一种最具前景的结构吸振、减振耗能装置，将在土木工程领域减振方面具有广泛应用的前景。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种具有多稳态的非线性能量阱装置。将两对刚度以及原长都不同的拉压弹簧引入到非线性能量阱装置中，使得非线性能量阱装置具有更强的线性刚度以及立方刚度，增加非线性能量阱装置的吸振频带，并有更强的恢复力。同时将磁流变阻尼器引入到非线性能量阱装置中，可以根据主结构的特性调节磁流变阻尼器的阻尼大小使得非线性阻尼器装置具有更优的减振耗能特性。这种非线性能量阱装置可以作为半主动控制应用在土木工程领域吸振、减振中。

技术方案：本发明的一种具有多稳态的非线性能量阱装置包括有与外部主结构相连的基底承台板，安装在基底承台板上的两根平行的直线导轨，在直线导轨上布置带有振子托板的直线轴承，并使用螺栓将振子与振子托板相连；并将一对带有长导向管的处于原长拉压长弹簧k1、一对短导向管原长拉短压弹簧k2对称布置于振子两侧与直线导轨相垂直的方向上；原长拉压长弹簧k1、原长拉压短弹簧k2的一端采用销轴分别与振子相连，另一端分别与挡板相连，并且这两对弹簧处于平衡位置的长度不同与振子之间的夹角也不相同；同时，磁流变阻尼器的两端采用销轴分别与振子和挡板相连接。

所述在振子四周的运动方向分别设置有挡板，防止因磁流变阻尼器失效或者振子行程过大导致振子脱离直线导轨。

所述的振子质量根据主结构的刚度特性来调节振子与外部主结构的质量比，使得非线性多稳态能量阱装置具有适应于主结构的最佳的鲁棒性能。

所述的磁流变阻尼器，根据外部主结构的特性，通过通电改变磁流变阻尼器中磁流变液的特性，以改变磁流变阻尼器阻尼大小以使得非线性多稳态能量阱装置具有最佳的吸振耗能效果。

所述的直线轴承与直线导轨之间的摩擦为滚动摩擦。

所述的销轴与耳板间的摩擦阻尼可以忽略不记。

有益效果：与现有的减振耗能装置相比，本发明具有以下优势：

1)通过在主结构上安装非线性能量阱装置，利用其强非线性的本质可以与主结构产生内共振的特性，使得该装置能够吸收主结构的振动响应能量。

2)该非线性能量阱装置中振子的质量只占主结构的5％～10％，甚至更小，对结构整体的承载能力影响较小。

3)该非线性能量阱装置可以根据主结构的特性调整振子质量、拉压弹簧刚度以及磁流变阻尼器的阻尼特性，使得该装置可以有包含主结构自振频率内的吸振带以及更优越的鲁棒性能。

4)通过在非线性能量阱装置中增加拉压弹簧的数量，改变弹簧与振子之间的夹角以改变弹簧的非线性特性，增宽非线性能量阱装置的吸振频带，非线性恢复力同时得到增大。

附图说明：

图1为本发明一种非线性能量阱装置示意图(α1≠β1＜180°)；

图2为本发明一种非线性能量阱装置示意图(α2＝180°，β2＜180°)；

图3为本发明一种非线性能量阱装置示意图(α3＞180°，β3＜180°)；

图4为本发明一种非线性能量阱装置示意图(α4＜180°，β4＞180°)；

图5为本发明带有大导向筒的原长拉压长弹簧k1装置示意图；

图6为本发明带有小导向筒的原长拉压短弹簧k2装置示意图；

图7为本发明带有销轴的挡板图；

图8为本发明带有振子托板的直线导轨直线轴承示意图；

图9为本发明磁流变阻尼器示意图。

图中有：基底承台板1、直线导轨2、直线轴承3、磁流变阻尼器4、振子托板5、原长拉压长弹簧k16、长导向管7、原长拉压短弹簧k28、短导向管9、销轴10、振子11、挡板12；外导向管501、内导向管502、原长拉压弹簧503；销轴701、“l”型板702、支撑板703、固定板704；直线导轨801、直线轴承802、振子托板803；导线901、活塞杆902、缸体903。

具体实施方式

本发明的一种具有多稳态的非线性能量阱装置，其特征在于，该装置包括有与主结构相连的基底承台板，采用直线轴承和直线导轨作为振子行驶的轨道，将两根平行的直线轨道安装在基底承台板上，带有振子的振子托板安装在直线轴承上，直线轴承与直线导轨相连，构成振子的运动系统；同时将两对带有导向管的处于初始长度的拉压弹簧对称布置于振子两侧与直线导轨相垂直的方向上，拉压弹簧一端与振子相连，另一端与挡板相连，并且这两对弹簧的长度不同(l1≠l2)与振子之间的夹角也不相同(α≠β)；同时，磁流变阻尼器平行于直线导轨的方向采用销轴与振子和挡板相连接。

所述的带导向管的拉压弹簧，其中导向管分为外管和内管，外管的内径比内管的内径大，两根管的长度相同且短于两个挡板之间的距离，用来防止弹簧在拉伸压缩过程中发生弯曲影响弹簧刚度。

所述的处于原长的拉压弹簧可以根据主结构的特性，选择合适的原长与刚度以及与振子之间的夹角，使得非线性能量阱装置的吸振频带包含主结构振动的频率范围，使得非线性能量阱装置具有最佳的吸振、减振及耗能性能。

所述的质量可更变的振子，是由多个质量不同的铁片采用螺栓与螺母相连而成，可根据主结构的特性，调节振子与主结构的质量比，使得非线性能量阱装置具有最佳的吸振、减振及耗能性能。

所述的磁流变阻尼器，根据主结构的特性，调节磁流变液的特性，使得磁流变阻尼器的阻尼值可以满足非线性能量阱装置具有最佳的吸振、减振及耗能性能的要求。

所述的用于支承振子托板的直线轴承与直线导轨之间的滚动摩擦阻尼可忽略不计。

所述的销轴之间的滑动摩擦可忽略不计。

所述的两对对称于振子两侧平行于直线导轨布置的处于初始原长的拉压弹簧，其与振子之间的夹角，长度，外径以及刚度均不一样，该装置在运动过程中能够形成多个稳态跃迁点，形成具有更宽吸振频带的非线性能量阱装置。

下面结合附图，通过实施例进一步讲述本发明的形成方法：

实施例1：如图1、5、6、7、8、9所示，本实施例为一种具有多稳态的非线性能量阱装置，在基底承台板中部安装一对平行的直线导轨装置，并在每个直线导轨上安装一个直线轴承，同时将载有振子的托板用螺栓与直线轴承相连接，构成摩擦可忽略不计的振子滑轨系统。将图5和图6所示的两对带有导向管的拉压弹簧装置(两对拉压弹簧的内径d1≠d2、初始原长l11≠l12以及刚度k11≠k12均不相同)对称布置于垂直于直线导轨方向的振子两侧，一侧与振子相连，另一侧与图7所示的挡板相连(拉压弹簧均处于原长状态)，两对弹簧与振子构成的夹角α1与β1均小于180°，且α1≠β1。在平行于直线导轨的方向上布置一个如图9所示的磁流变阻尼器，磁流变阻尼器一侧与振子相连，另一侧与固定挡板相连，在平行于直线轨道方向振子的另一侧布置一块挡板防止振子滑动过大超出滑轨，最终形成一种具有多稳态的非线性能量阱装置，将此非线性能量阱装置与主结构相连，用于主结构的吸振、减振及耗能。

实施例2：如图2、5、6、7、8、9所示，本实施例为一种具有多稳态的非线性能量阱装置，在基底承台板中部安装一对平行的直线导轨装置，并在每个直线导轨上安装一个直线轴承，同时将载有振子的托板用螺栓与直线轴承相连接，构成摩擦可忽略不计的振子滑轨系统。将图5和图6所示的两对带有导向管的拉压弹簧装置(两对拉压弹簧的内径d1≠d2、初始原长l21≠l22以及刚度k21≠k22均不相同)对称布置于垂直于直线导轨方向的振子两侧，一侧与振子相连，另一侧与图7所示的挡板相连(拉压弹簧均处于原长状态)，两对弹簧与振子构成的夹角α2＝180°，β2＜180°。在平行于直线导轨的方向上布置一个如图9所示的磁流变阻尼器，磁流变阻尼器一侧与振子相连，另一侧与固定挡板相连，在平行于直线轨道方向振子的另一侧布置一块挡板防止振子滑动过大超出滑轨，最终形成一种具有多稳态的非线性能量阱装置，将此非线性能量阱装置与主结构相连，用于主结构的吸振、减振及耗能。

实施例3：如图3、5、6、7、8、9所示，本实施例为一种具有多稳态的非线性能量阱装置，在基底承台板中部安装一对平行的直线导轨装置，并在每个直线导轨上安装一个直线轴承，同时将载有振子的托板用螺栓与直线轴承相连接，构成摩擦可忽略不计的振子滑轨系统。将图5和图6所示的两对带有导向管的拉压弹簧装置(两对拉压弹簧的内径d1≠d2、初始原长l31≠l32以及刚度k31≠k32均不相同)对称布置于垂直于直线导轨方向的振子两侧，一侧与振子相连，另一侧与图7所示的挡板相连(拉压弹簧均处于原长状态)，两对弹簧与振子构成的夹角α3＞180°,β3＜180°。在平行于直线导轨的方向上布置一个如图9所示的磁流变阻尼器，磁流变阻尼器一侧与振子相连，另一侧与固定挡板相连，在平行于直线轨道方向振子的另一侧布置一块挡板防止振子滑动过大超出滑轨，最终形成一种具有多稳态的非线性能量阱装置，将此非线性能量阱装置与主结构相连，用于主结构的吸振、减振及耗能。

实施例4：如图4、5、6、7、8、9所示，本实施例为一种具有多稳态的非线性能量阱装置，在基底承台板中部安装一对平行的直线导轨装置，并在每个直线导轨上安装一个直线轴承，同时将载有振子的托板用螺栓与直线轴承相连接，构成摩擦可忽略不计的振子滑轨系统。将图5和图6所示的两对带有导向管的拉压弹簧装置(两对拉压弹簧的内径d1≠d2、初始原长l41≠l42以及刚度k41≠k42均不相同)对称布置于垂直于直线导轨方向的振子两侧，一侧与振子相连，另一侧与图7所示的挡板相连(拉压弹簧均处于原长状态)，两对弹簧与振子构成的夹角α4＜180°，β4＞180°。在平行于直线导轨的方向上布置一个如图9所示的磁流变阻尼器，磁流变阻尼器一侧与振子相连，另一侧与固定挡板相连，在平行于直线轨道方向振子的另一侧布置一块挡板防止振子滑动过大超出滑轨，最终形成一种具有多稳态的非线性能量阱装置，将此非线性能量阱装置与主结构相连，用于主结构的吸振、减振及耗能。

以上所述仅是本发明的优选实方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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