[發明專利]一種吊桿減振的雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器及設計方法

在審

• 申請號: 202010541534.0
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111637186A
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 安永輝;黃世俊;歐進萍
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F16F15/02
• 分類號: F16F15/02;F16F15/023;E01D19/00;G06F30/13
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種吊桿減振的雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器，其特征在于，該雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器包括內磁環陣列(2)、外磁環陣列(3)、配重(4)、萬向輪(5)和底座(6)；其中，當用于在役吊桿(1)時，內磁環陣列(2)由兩個內環分體(7)拼接構成，每個內環分體(7)分別有設計數量的槽位，每個槽位放置一個內環磁瓦(8)，用螺栓將內環限位鋼環(9)固定在對應的內環分體(7)上，在內環分體(7)內側添加防滑墊圈，將內磁環陣列(2)固定在吊桿(1)的安裝位置；外磁環陣列(3)與內磁環陣列(2)構造類似，每個外環磁瓦(16)放在設計好的槽位里并通過外環限位鋼環(15)將其固定在外環分體一(17)和外環分體二(18)上，用螺栓將外磁環陣列(3)分別與配重(4)和萬向輪(5)連接，配重(4)安裝在外磁環陣列(3)的外圍并與其固定在一起；配重(4)是由四個長方體質量塊用螺栓拼接組成的方形體；底座(6)由兩個相同的底座分體(21)拼接成，其內側設有防滑墊圈，用螺栓將其固定于吊桿(1)的安裝位置，用于支撐其上的外磁環陣列(3)、配重(4)和萬向輪(5)；萬向輪(5)與底座(6)直接接觸，能任意方向轉動，并通過與底座(6)之間的摩擦提供阻尼，其提供阻尼的大小通過改變萬向輪(5)與底座(6)之間的摩擦系數來調節；通過摩擦提供的阻尼，或在內磁環陣列(2)和外磁環陣列(3)之間加裝空氣阻尼器耗散能量；配重(4)的尺寸、內環磁瓦(8)的尺寸和外環磁瓦(16)的尺寸根據待控制吊桿(1)的基本參數進行設計，內磁環陣列(2)和外磁環陣列(3)之間的磁力保證外磁環陣列(3)在運動過程中不與內磁環陣列(2)碰撞；雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器在吊桿(1)上的安裝位置和數量根據待控吊桿(1)的動力特性及其減振需求進行設計，至少在中點位置安裝一個。

2.一種吊桿減振的雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器設計方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一，通過實地勘測或翻閱設計參數獲得待控吊桿(1)的基本特性：含護套的外徑和自振頻率；

步驟二，確定待設計雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器的基本設計參數：

1)外磁環陣列(3)與配重(4)質量之和與吊桿(1)的模態質量之比：1％～5％，在此范圍內質量比越大，減振效果越好，應根據吊桿(1)的減振需求確定；

2)吸振器阻尼比：吸振器設計阻尼比取相同質量比下最優調諧質量阻尼器的設計阻尼比；

3)吸振器的線性剛度和立方剛度：建立吊桿-吸振器系統的數值模型如式(1)：

其中，w(t)表示吊桿各個自由度對應的位移組成的向量，和分別對應其速度與加速度；M是吊桿的質量矩陣；C是吊桿的阻尼矩陣，采用Rayleigh阻尼；K是吊桿的剛度矩陣；F(t)是吊桿所受外荷載與吸振器對吊桿的反作用力之和；m、c、k₁、k₂分別表示吸振器的質量、阻尼、線性剛度和非線性剛度；v表示吸振器位移，分別表示其速度和加速度；吊桿一端為x軸的起始點，x是吊桿上點的x軸坐標，d是吸振器在x軸上的安裝位置，δ(x-d)為狄拉克函數；

式(2)為參數優化目標函數，

其中，Δ、Δ_con分別表示吊桿上某點在相同的白噪聲荷載作用下無控和有控時的位移或速度時程響應的均方根值、方差或其他減振效果評價指標，根據減振需求進行選取或建立；

根據TMD的最優線性剛度確定非線性吸振器的線性剛度和非線性剛度參數優化范圍，通過調用多點白噪聲荷載作用下吊桿-吸振器系統的數值模型計算吊桿的動力響應，通過自動尋優方式獲得最優線性剛度和最優非線性剛度值；

4)內外磁環陣列幾何參數：綜合考慮吸振器成本和待控吊桿截面尺寸，確定內磁環陣列(2)和外磁環陣列(3)的磁瓦數量、磁瓦圓心角、磁瓦內徑；建立雙環形強磁陣列非線性動力吸振器系統的參數化電磁場數值模型，通過調整磁瓦的厚度和高度使內磁環陣列(2)和外磁環陣列(3)組成的內外磁環陣列組合體達到設計線性剛度值和設計立方剛度值；

5)吸振器配重(4)的幾何參數：吸振器的總質量減去外磁環陣列(3)的質量，即為吸振器配重(4)的質量，進而根據配重塊密度設計配重(4)分體的長、寬和高；

步驟三，根據步驟二得出的設計參數加工制作雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器；

步驟四，將制成的雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器在實驗室吊桿上安裝，使用測力計和尺子測量雙環形強磁體陣列非線性動力吸振器的力-位移關系，確保其線性剛度和立方剛度為設計值；使其自由運動，測量其位移信號，使用自由振動衰減法等方法測定其阻尼比，并通過調整萬向輪(5)與底座(6)之間的摩擦力或通過設置其他阻尼的方式調整阻尼比大小，使其達到或接近最優阻尼比。