一种半主动非线性能量阱减振系统

1.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非线性能量阱减振系统，主要用于基础设施结构和建筑结构等的振动控制。
技术背景
2.在当今社会，振动引起的结构安全和舒适度问题日益引起人们的重视，有效地抑制结构振动对延长机械使用寿命以及增加结构安全性与舒适性均至关重要。相比传统的调谐质量阻尼器，非线性能量阱因其非恒定的非线性刚度而独具有靶向能量传递机理，可以捕获主体结构的振动能量至非线性能量阱系统内并快速耗散，是一种效率较高和鲁棒性较好的振动控制技术。
3.一般而言，非线性能量阱预设的刚度一般基于其在特定外界激励下发生靶向能量传递时的最优理论刚度值，然而不同的初始优化条件会导致非线性能量阱的最优刚度不尽相同，导致不同类型激励及激励幅值下非线性能量阱的减振效果可能与预期不大一致。因此，如何实现非线性能量阱的自适应控制，使其能实时调节自身频率至最优控制频率范围，以达到良好的减振效果，是一个新的很有意义的研究方向。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种半主动非线性能量阱减振系统，通过系统识别装置实时收集并识别振子的振动信号，使用气泵实时或被动地调整系统的频率，使振子的振动频率在振动过程中可以达到最优频率范围，且振子停止振动后将其频率调整至预设频率，使得所提出的新型半主动非线性能量阱减振系统具有强非线性特性、良好的减振效果和较高的鲁棒性。
5.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.本发明是一种半主动非线性能量阱减振系统，主要包括振子、摩擦导轨、底板、气弹簧、支承平台、螺栓、气泵、导管、转接头、系统识别装置、信号传输线。其中，振子与摩擦导轨紧密连接，摩擦导轨与振子的三个接触面设置有摩擦副用于提供稳定的摩擦力进行耗能，且摩擦导轨固定在底板上。气弹簧的初始设置方向垂直于摩擦导轨，气弹簧的一端与振子两边的振子半圆形销轴连接，气弹簧的另一端与支承平台的支承平台半圆形销轴连接。气弹簧的气压由气泵通过导管和转接头进行调控，具体调控值由系统识别装置给出，并通过信号传输线将指令输送至气泵。
7.本发明中，振子为倒“凹”字型，底部与摩擦导轨的接触摩擦面优选为高碳钢，且振子左右两边设置振子半圆形销轴用于与气弹簧连接。
8.本发明中，摩擦导轨的上表面和左右表面均设置摩擦副，摩擦导轨与底板焊接固定。优选的，摩擦副的摩擦材料优选耐磨性较好的聚四氟乙烯、高锰钢等材料。
9.本发明中，底板具有4个螺纹孔用于与支承平台通过螺栓连接固定。
10.本发明中，气弹簧的推拉杆的末端是与振子连接的半圆形销轴，气弹簧的末端也
是半圆形销轴，气弹簧通过换气口调整内部气压，气弹簧内部填充气体可为空气或惰性气体；当振子位置偏离原点时，气弹簧拉力的水平分量与振子的水平位移成三次方关系，且气弹簧自身刚度与推拉杆的轴线位移成非线性关系，以此增强控制系统的非线性程度，获得更宽的减振频带。
11.本发明中，支承平台的底部通过螺栓与底板连接固定，支承平台的纵向钢板中央设置有与气弹簧连接的一对支承平台半圆形销轴，纵向钢板靠近气弹簧的一侧焊接有加劲肋用于提高支承平台的抗侧刚度，加劲肋应不妨碍气弹簧的正常工作。
12.本发明中，气泵具有输气口和抽气口用于控制气弹簧的内部压强，气泵通过螺栓固定在振子上。
13.本发明中，导管用于输送气弹簧和气泵的气体，转接头用于将两个气弹簧同时连接到气泵中，保证两个气弹簧的内部压强相同。
14.本发明中，系统识别装置用于实时收集并识别振子的频率并判断其是否处于最优频率范围内，其指令通过信号传输线控制气泵在系统安装时、系统工作时以及系统工作完成后的工作状态，使其可以提高、维持或降低气弹簧的内部压强，以此达到对减振系统非线性刚度的调控。
15.本发明中，系统识别装置可以实时识别出系统的频率，并判断该频率是否偏离最优频率范围5％以上，若偏离最优频率区间则对气泵发出指令调整气弹簧的内部压强，使系统频率处于最优频率区间内，使系统的控制效果进一步提高。
16.本发明中，系统识别装置可以收集并识别振子在环境激励下的频率，并判断其是否等于预设频率，若偏离预设频率则调整系统频率至预设频率，因此振子停止振动后依旧可以调整气弹簧的内部压强，使其在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
17.与现有技术相比，本发明的优点如下：
18.1)本发明提出的半主动非线性能量阱减振系统具有较强的非线性程度，使其获得较宽的减振控制频带，对激励频率不敏感，显著降低振子的工作冲程；
19.2)本发明提出的半主动非线性能量阱减振系统可以实时收集和识别振子的振动频率，并判断振子频率是否处于最优频率范围内，若偏离最优频率区间则可以调整系统频率至最优频率区间内，进一步提高系统的振动控制效果；
20.3)本发明提出的半主动非线性能量阱减振系统可以实时收集和识别振子在环境激励下的频率，并判断振子频率是否等于预设频率，若偏离预设频率则可以调整系统频率至预设频率，使振子即便停止振动后依旧可以调整其频率，以此保证控制系统在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
21.综上所述，本发明的创新性主要体现在两点：一方面，所提出的半主动非线性能量阱减振系统可以实时判断并调整系统的频率，使系统的控制效果进一步提高；另一方面，所提出的半主动非线性能量阱减振系统可以在振子停止振动后将其频率调整至预设频率，使其在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
附图说明
22.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要介绍。
23.图1为半主动非线性能量阱减振系统示意图；
24.图2为半主动非线性能量阱减振系统a-a剖面图；
25.图3为振子示意图；
26.图4为气弹簧示意图；
27.图5为气弹簧b-b剖面图；
28.图6为支承平台示意图；
29.图7为气泵示意图；
30.图8为系统识别装置内部构造示意图；
31.图9为系统识别装置及气泵工作流程图。
32.图中：1-振子，101-振子半圆形销轴，102-接触摩擦面；
33.2-摩擦导轨；
34.3-底板；4-气弹簧，401-推拉杆，402-气弹簧半圆形销轴，403-换气口；
35.5-支承平台，501-支承平台半圆形销轴，502-纵向钢板，503-加劲肋；
36.6-螺栓；7-气泵，701-输气口，702-抽气口；
37.8-导管；9-转接头；
38.10-系统识别装置，1001-启动按钮，1002-传感设备，1003-内部信号传输线，1004-信号处理器，1005-控制器；11-信号传输线。
具体实施方式
39.本发明针对非线性能量阱在振动控制过程中的最优刚度问题，提出了一种半主动非线性能量阱减振系统。该半主动非线性能量阱减振系统的系统识别装置可以实时收集并识别振子的振动信号，并且可以实时或被动地调节非线性能量阱的频率，因此，该半主动非线性能量阱减振系统随外界激励的变化在两级控制机制之间灵活转换。具体而言：
40.1)当减振系统启动时，系统识别装置可以实时收集并识别振子的频率并判断其是否处于最优频率范围内，如果系统频率偏离最优频率范围，则调整系统频率至最优频率区间内，否则继续收集并识别振子的振动信号；
41.2)当减振系统停止时，系统识别装置可以收集并识别振子在环境激励下的频率并判断其是否等于预设频率，如果偏离预设频率则调整系统刚度至预设频率，否则继续收集并识别振子的振动信号。
42.综上所述，本发明的创新性主要体现在两点：一方面，所提出的半主动非线性能量阱减振系统可以实时判断并调整系统的频率，使系统的控制效果进一步提高；另一方面，所提出的半主动非线性能量阱减振系统可以在振子停止振动后将其频率调整至预设频率，使其在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
43.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
44.装置构造方面
45.如图1-图8所示,一种半主动非线性能量阱减振系统，包括振子1、摩擦导轨2、底板3、气弹簧4、支承平台5、螺栓6、气泵7、导管8、转接头9、系统识别装置10、信号传输线11；其中，振子1与摩擦导轨2紧密连接，摩擦导轨2与振子1的三个接触面设置有摩擦副用于提供
稳定的摩擦力进行耗能，且摩擦导轨2固定在底板3上；气弹簧4的初始设置方向垂直于摩擦导轨2，气弹簧4的一端与振子1两边的振子半圆形销轴101连接，气弹簧4的另一端与支承平台5的支承平台半圆形销轴501连接；气弹簧4的气压由气泵7通过导管8和转接头9进行调控，具体调控值由系统识别装置10给出，并通过信号传输线11将指令输送至气泵7。
46.如图3所示,所述的振子1为倒“凹”字型，底部与摩擦导轨2的接触摩擦面102为高碳钢，且振子1左右两边设置振子半圆形销轴101用于与气弹簧4连接。
47.如图2所示,所述的摩擦导轨2的上表面和左右表面均设置摩擦副，摩擦导轨2与底板3焊接固定；摩擦副的摩擦材料耐磨性较好的聚四氟乙烯、高锰钢材料。
48.如图4、图5所示,所述的气弹簧4的推拉杆401的末端是与振子1连接的气弹簧半圆形销轴402，气弹簧4的末端也是气弹簧半圆形销轴402，气弹簧4通过换气口403调整内部气压，气弹簧4内部填充气体可为空气或惰性气体。所述的气弹簧4拉力的水平分量与振子1的水平位移成三次方关系，且气弹簧4自身刚度与推拉杆401的轴线位移成非线性关系，以此增强控制系统的非线性程度，获得更宽的减振频带。
49.如图6所示,所述的支承平台5的底部通过螺栓6与底板3连接固定，支承平台5的纵向钢板502中央设置有与气弹簧4连接的一对支承平台半圆形销轴501，纵向钢板502靠近气弹簧4的一侧焊接有加劲肋503用于提高支承平台5的抗侧刚度，加劲肋503应不妨碍气弹簧4的正常工作。
50.如图7所示,所述的气泵7具有输气口701和抽气口702用于控制气弹簧4的内部压强，气泵7通过螺栓6固定在振子1上，导管8用于输送气弹簧4和气泵7的气体，转接头9用于将两个气弹簧4同时连接到气泵7中，保证两个气弹簧4的内部压强相同。
51.如图8所示,所述的系统识别装置10包括启动按钮1001、传感设备1002、内部信号传输线1003、信号处理器1004、控制器1005，通过启动按钮1001启动工作，传感设备1002集成于系统识别装置10内，传感设备1002通过内部信号传输线1003与信号处理器1004连接，控制器1005通过内部信号传输线1003与信号处理器1004连接。所述的系统识别装置10用于实时收集并识别振子1的频率并判断其是否处于最优频率范围内，其指令通过信号传输线11控制气泵7在系统安装时、系统工作时以及系统工作完成后的工作状态，使其可以提高、维持或降低气弹簧4的内部压强，以此达到对减振系统非线性刚度的调控。进一步的，所述的系统识别装置10可以实时识别出系统的频率，并判断该频率是否偏离最优频率范围5％以上，若偏离最优频率区间则对气泵7发出指令调整气弹簧4的内部压强，使系统频率处于最优频率区间内，使系统的控制效果进一步提高。进一步的，所述的系统识别装置10可以收集并识别振子1在环境激励下的频率，并判断其是否等于预设频率，若偏离预设频率则调整系统频率至预设频率，因此振子1停止振动后依旧可以调整气弹簧4的内部压强，使其在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
52.安装及工作机理方面
53.如图1所示，本发明为一种半主动非线性能量阱减振系统，主要包括振子1、摩擦导轨2、底板3、气弹簧4、支承平台5、螺栓6、气泵7、导管8、转接头9、系统识别装置10、信号传输线11。摩擦导轨2和支承平台5装配于底板3，将振子1卡入摩擦导轨2中并将其移动至预定位置。将气弹簧安装在振子1与支承平台5中间，再通过导管8和转接头9连接气泵7，最后安装系统识别装置10并通过信号传输线11连接气泵7。
54.如图8所示，在地震和风荷载激励下，半主动非线性能量阱减振系统开始工作，实时识别并调整系统频率至最优频率区间，进一步提高振动控制系统捕获和快速耗散主结构振动能量的效率。振子1沿摩擦导轨2来回滑动，通过摩擦副耗散系统振动能量。振子1的运动带动气弹簧4的内部气体受压或受拉，因气弹簧4自身的非线性叠加上控制系统构造的几何非线性，使控制系统具有较宽的减振频带。系统识别装置10在振子1运动过程中通过传感设备1002实时收集并在信号处理器1004进行傅里叶变换识别其振动频率，判断振子1的频率是否处于最优频率范围内，当系统频率偏离最优频率5％以上时，通过信号传输线11将指令发送至气泵7，通过气泵7调整气弹簧4的内部压强，使系统频率保持在最优频率区间内，使减振系统始终保持在最优控制频率区间内工作。
55.在环境激励下，半主动非线性能量阱减振系统开始工作，调整系统频率至预设频率。通过系统识别装置10的传感设备1002收集振子在环境激励下的振动信号并在信号处理器1004进行傅里叶变换识别其振动频率，同时判断该频率是否等于系统的预设频率，如果偏离预设频率则输出指令至气泵7调整气弹簧4的刚度，使系统频率等于预设频率，保证控制系统在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。
56.综上所述，本发明的半主动非线性能量阱减振系统安装于主体结构，通过气弹簧进一步提高非线性能量阱系统的非线性程度，使系统获得更广的减振频带并且显著降低振子的工作冲程，并且通过系统识别装置对系统的非线性刚度进行实时判断并调整，使得系统始终保持在最优控制频率区间内工作，从而进一步提高系统的振动控制效果；同时，系统识别装置可以识别振子在环境激励下的振动频率并将其调整至预设频率，保证控制系统在主体结构发生下一次振动时具有较好的初始振动控制效果。