一种自适应变质量调谐质量阻尼器

技术领域

本申请涉及工程结构减振技术领域，特别涉及一种自适应变质量调谐质量阻尼器。

背景技术

随着社会经济的快速发展，工程结构正朝着高耸、大跨、轻质和高强的方向发展，结构刚度和阻尼相对较小，在动荷载作用下结构动力反应不断增大，使其难于满足结构的安全性、舒适性和实用性的要求。调谐质量阻尼器(TMD)一般由质量块、弹簧和阻尼器组成，由于其结构简单、使用方便、成本低等优点，广泛应用于工程结构振动控制。

TMD通常只有在激励振动包含一个主要频率分量的情况下或者很窄的频率带情况下才能起到良好的效果，然而对于随机激励的多自由度系统来说，单纯应用TMD要达到减振的目的，会是复杂和困难的。一般的调谐质量阻尼器采用离散化的设计，针对某一价固有频率或者较窄频率范围设计的TMD具有很好的减振效果。然而当激励在一个较宽的频率范围的时候，TMD的减振效果显降低。TMD系统对工程结构振动反应控制的关键是将TMD系统的自振频率调谐到工程结构的自振频率上。

但是，随着时间的推移，工程结构的一些性能会发生变化，工程结构的自振频率也会随之发生改变，从而降低了TMD系统对结构的控制作用。

发明内容

本申请实施例提供一种自适应变质量调谐质量阻尼器，以解决相关技术中调谐质量阻尼器的振动频率无法自适应随工程结构的振动频率的改变而改变，具有较大局限性的问题。

第一方面，提供了一种自适应变质量调谐质量阻尼器，其包括：

第一容器，其用于与工程结构连接，且其内具有收容空间；

质量块，其收容于所述收容空间内，且所述质量块包括第二容器，以及填充于所述第二容器内的磁性粒子，所述第二容器通过弹簧与所述第一容器活动连接；

阻尼机构，其组设于所述收容空间内；

磁力装置，其被适配成：通过改变对所述磁性粒子的磁力大小，以改变对所述磁性粒子的吸附量，并改变所述质量块的质量。

一些实施例中，所述磁力装置为电磁铁，所述电磁铁被适配成：通过改变通入所述电磁铁的电流大小，以调节所述电磁铁的磁性大小。

一些实施例中，所述磁力装置包括：

竖直设置的导轨；

永磁铁，其设于所述导轨上，且所述永磁铁可在所述导轨上沿靠近或远离所述质量块的方向移动，以改变所述永磁铁对所述磁性粒子的磁力大小。

一些实施例中，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括控制装置，所述控制装置与所述磁力装置相连，且所述控制装置用于根据所述工程结构的振动频率，获取所述质量块的有效质量，并控制所述磁力装置对所述磁性粒子的磁力大小，以使所述质量块的质量达到所述有效质量；其中，所述有效质量为所述质量块与所述工程结构发生共振时，所述质量块的质量。

一些实施例中，采用如下公式计算所述有效质量m：

式中：f为所述工程结构的振动频率；K为所述弹簧的刚度。

一些实施例中，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括第一检测装置，所述第一检测装置用于检测所述工程结构的振动频率；所述控制装置还与所述第一检测装置连接，并用于接收所述第一检测装置的检测数据。

一些实施例中，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括第二检测装置，所述第二检测装置设于所述第二容器上，并用于检测所述质量块的振动频率；所述控制装置还与所述第二检测装置连接，并用于将所述质量块的振动频率与所述工程结构的振动频率进行比较，判断所述质量块与所述工程结构是否达到共振。

一些实施例中，所述磁性粒子采用铁、钴、镍中的一种材料制作而成。

一些实施例中，所述阻尼机构为阻尼液，所述阻尼液填充于所述收容空间内。

一些实施例中，所述阻尼机构为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，且所述阻尼机构的两端分别与所述第二容器和所述第一容器相连。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变质量块的结构，将质量块设计成填充有磁性粒子的第二容器，并增设磁力装置，通过改变磁力装置对磁性粒子的磁力大小，以改变磁力装置对磁性粒子的吸附量，吸附量增大，质量块的质量就减小，吸附量减小也就是磁力装置释放部分磁性粒子至第二容器内，质量块的质量就会增大；从而实现质量块的质量的改变，以改变调谐质量阻尼器的振动频率。

本申请实施例提供了一种自适应变质量调谐质量阻尼器，由于本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变质量块的结构，将质量块设计成填充有磁性粒子的第二容器，并增设磁力装置，通过改变磁力装置对磁性粒子的磁力大小，以改变磁力装置对磁性粒子的吸附量，吸附量增大，质量块的质量就减小，吸附量减小也就是磁力装置释放部分磁性粒子至第二容器内，质量块的质量就会增大；因此，本申请实施例可以通过改变质量块的质量，以改变调谐质量阻尼器的振动频率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的自适应变质量调谐质量阻尼器的结构示意图(竖直振动，且阻尼机构为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器)；

图2为本申请实施例提供的第一种方式的磁力装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第二种方式的磁力装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的自适应变质量调谐质量阻尼器的结构示意图(竖直振动，且阻尼机构为阻尼液)；

图5为本申请实施例提供的自适应变质量调谐质量阻尼器的结构示意图(水平振动，且阻尼机构为阻尼液)；

图6为本申请实施例提供的自适应变质量调谐质量阻尼器的结构示意图(水平振动，且阻尼机构为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器)。

图中：1、第一容器；10、收容空间；2、质量块；20、第二容器；21、磁性粒子；3、阻尼机构；4、磁力装置；40、电磁铁；41、导轨；42、永磁铁；5、第一检测装置；6、控制装置；7、弹簧；8、第二检测装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种自适应变质量调谐质量阻尼器，其包括第一容器1、质量块2、阻尼机构3和磁力装置4，第一容器1用于与工程结构连接，且其内具有收容空间10；质量块2收容于收容空间10内，且质量块2包括第二容器20，以及填充于第二容器20内的磁性粒子21，第二容器20通过弹簧7与第一容器1活动连接；阻尼机构3组设于收容空间10内；磁力装置4被适配成：通过改变对磁性粒子21的磁力大小，以改变对磁性粒子21的吸附量，并改变质量块2的质量。

本申请实施例的自适应变质量调谐质量阻尼器的减振原理如下：

将第一容器1与工程结构连接，工程结构振动，由于频率调谐作用，工程结构的振动转化为质量块2的振动，质量块2通过拉伸和压缩弹簧3产生周期性振动。振动过程中转移至质量块2的动能一部分转化为弹簧7的弹性势能存储起来维持质量块2的振动，另一部分由阻尼机构3通过自身耗能机制耗散掉，以达到将工程结构的振动能量吸收并耗散的过程，从而达到减弱工程结构的振动能量的目的。

在减振过程中，由于工程结构的振动频率会产生变化，因此需要改变调谐质量阻尼器的振动频率，以适应工程结构的振动，本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变磁性粒子21的质量来改变质量块2的刚度，根据调谐质量阻尼器的振动频率的计算公式可知，调谐质量阻尼器的振动频率与质量块2的质量和弹簧7的刚度有关，因此可以通过改变质量块2的质量改变调谐质量阻尼器的振动频率，以适应工程结构的振动频率的变化。

本申请实施例的调谐质量阻尼器通过改变质量块2的结构，将质量块2设计成填充有磁性粒子21的第二容器20，并增设磁力装置4，通过改变磁力装置4对磁性粒子21的磁力大小，以改变磁力装置4对磁性粒子21的吸附量，吸附量增大，质量块2的质量就减小，吸附量减小也就是磁力装置4释放部分磁性粒子21至第二容器20内，质量块2的质量就会增大；从而实现质量块2的质量的改变，以改变调谐质量阻尼器的振动频率。

可选的，参见图2所示，本申请实施例的第一种方式的磁力装置4为电磁铁40，电磁铁40被适配成：通过改变通入电磁铁40的电流大小，以调节电磁铁40的磁性大小。

电磁铁40包括铁芯和绕设于铁芯上的线圈，通过改变通入线圈的电流，以改变电磁铁40的磁力大小，从而改变对磁性粒子21的吸附量，磁性粒子21吸附量越大，质量块2的质量越小，那么调谐质量阻尼器的振动频率越大；反之，磁性粒子21吸附量越小即电磁铁40释放部分磁性粒子21至第二容器20内，质量块2的质量越大，那么调谐质量阻尼器的振动频率越小。

参见图3所示，本申请实施例的第二种方式的磁力装置4包括竖直设置的导轨41和永磁铁42，永磁铁42设于导轨41上，且永磁铁42可在导轨41上沿靠近或远离所述质量块2的方向移动，以改变所述永磁铁42对磁性粒子21的磁力大小。

永磁铁42水平设置，通过驱动永磁铁42在导轨41上移动，以增大或减小永磁铁42与磁性粒子21之间的距离，永磁铁42距离磁性粒子21越近，对磁性粒子21的磁力越大，吸附量也越大；永磁铁42距离磁性粒子21越远，对磁性粒子21的磁力越小，吸附量也越小。

进一步的，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括控制装置6，控制装置6与磁力装置4相连，且控制装置6用于根据工程结构的振动频率，获取质量块2的有效质量，并控制磁力装置4对磁性粒子21的磁力大小，以使质量块2的质量达到有效质量；其中，有效质量为质量块2与工程结构发生共振时，质量块2的质量。

本申请实施例通过控制器精确调节调谐质量阻尼器的振动频率，以使调谐质量阻尼器与工程结构达到共振，最大程度上进行减振。具体通过控制器获取当前时刻工程结构的振动频率，根据工程结构的振动频率，计算得到当调谐质量阻尼器的振动频率与工程结构的振动频率一致时，质量块2的有效质量m，由于上一时刻质量块2的有效质量已知，那么上一时刻的质量块2的有效质量即为当前时刻质量块2的实际质量m＇，从而可以知道需要调整的圈数Δm，最后控制装置控制磁力装置4对质量块2的磁力大小，以将质量块2的实际圈数m＇调整Δm，达到有效质量m，从而使质量块2与工程结构达到共振。

具体的，采用如下公式计算有效质量m：

式中：f为工程结构的振动频率；K为弹簧7的刚度。

更进一步的，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括第一检测装置5，第一检测装置5用于检测工程结构的振动频率；控制装置6还与第一检测装置5连接，并用于接收第一检测装置5的检测数据。

第一检测装置5用于实时检测工程结构的振动频率，并实时传输给控制装置6，控制装置6接收到第一检测装置5的检测数据后，改变磁力装置4对质量块2的磁力大小，以使质量块2与工程结构达到共振。

更进一步的，该自适应变质量调谐质量阻尼器还包括第二检测装置8，第二检测装置8设于第二容器20上，并用于检测质量块2的振动频率；控制装置6还与第二检测装置8连接，并用于将质量块2的振动频率与工程结构的振动频率进行比较，判断质量块2与工程结构是否达到共振。

由于在调整磁力装置4对质量块2的磁力大小的过程中，磁力装置4的磁力大小，以及磁力装置4与磁性粒子21之间的距离，与磁力装置4对磁性粒子21的吸附量并不是线性关系，因此可以将第一检测装置5检测的工程结构的振动频率，与第二检测装置8检测的质量块2的振动频率进行比较，判断质量块2的质量是需要增大还是减小，从而判断是需要增大还是减小磁力装置4对磁性粒子21的磁力大小。若需要增大磁力装置4对磁性粒子21的磁力，那么增大通入电磁铁40的电流，或者减小永磁铁42与磁性粒子21之间的距离，在改变电流大小以及移动永磁铁42的过程中，第二检测装置8实时测量质量块2的振动频率，直至第二检测装置8的检测数据与第一检测装置5的检测数据一致时，停止改变电流大小或移动永磁铁42。

优选的，磁性粒子21采用铁、钴、镍中的一种材料制作而成。

磁性粒子21尽量采用同一材料，且采用尺寸大小一致的材料，那么通过改变磁力装置4对磁性粒子21的磁力，才更加精确。

可选的，参见图4和图5所示，阻尼机构3为阻尼液，阻尼液填充于收容空间10内。

本申请实施例质量块2在振动过程中，阻尼液依靠液体介质的黏滞阻力使运动机械的动能衰减。而且第一容器1为非封闭的腔室，在壳体1内填充阻尼液的方式更方便，并方便后续补充或更换阻尼液。

可选的，参见图6所示，,阻尼机构3为粘滞阻尼器或电涡流阻尼器，且阻尼机构3的两端分别与第二容器20和第一容器1相连。

若质量块2的质量过大，在振动过程中对弹簧3的弹力损耗比较严重，可以采用机械的阻尼结构5对质量块2的振动进行阻尼耗能，提高弹簧的使用寿命。

而且，本申请实施例的自适应变刚度调谐质量阻尼器可以根据工程结构的振动方向，质量块2的振动方向可为竖直振动或水平振动，当水平振动时，质量块2的左右两侧均连接有弹簧3，且质量块2通过滚轮滚动连接于第一容器1内，以减小质量块2的运动阻尼。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。