基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置

技术领域

本发明涉及颗粒阻尼技术领域，特别是涉及基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置。

背景技术

颗粒阻尼是一种有效的被动振动控制技术，其阻尼机理为：当主体结构振动时，粒子与粒子之间、粒子与壁面之间发生非弹性碰撞以及摩擦损失，动能被显著吸收，对主体结构产生相当大的阻尼。

如授权公告号为CN105863097B、授权公告日为2017.12.26的中国发明专利公开了一种非线性轨道式协同调谐阻尼器，具体包括外部腔体单元、弹性体系、粘性液体、内部腔体单元、缓冲材料和颗粒群；阻尼器外部腔体单元底部有两条沿腔体长度方向布置的凹槽轨道，内部腔体单元能够沿凹槽轨道来回滑动，并且通过弹簧体系与外部腔体内壁相连，两者之间填充粘性液体，内部腔体内壁和底部覆盖有缓冲材料，颗粒群有大小不同的圆形颗粒组成。粘性液体的震荡使内部腔体来回运动耗能，液体与容器壁的摩擦、碰撞提供减振作用；弹簧体系调谐结构自振频率，颗粒与颗粒之间或颗粒与腔壁之间的碰撞、摩擦消耗能量。

但是，在海洋工程中，隔水管等结构会受到来流冲击，流场的冲击能量大，而现有阻尼器仅能通过粘性液体的震荡和颗粒群的碰撞摩擦进行耗能，应用于海洋流场中时会造成涡激振动的能量浪费，无法对振动能量进行转化收集起来，整个装置的功能性单一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置，以解决现有阻尼器应用于海洋流场中时会造成涡激振动的能量浪费，无法对振动能量进行转化收集起来，整个装置的功能性单一的问题。

本发明的基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置的技术方案为：

基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置包括刚性支架、振子结构、颗粒阻尼器和弹性件，所述刚性支架上移动安装有滑动座，所述振子结构、所述颗粒阻尼器分别与所述滑动座固定连接；

所述刚性支架包括两个侧壁和中间滑轨，两个所述侧壁平行间隔设置，所述中间滑轨固定连接于两个所述侧壁之间，所述滑动座与所述中间滑轨导向配合；

所述振子结构固定于所述滑动座的一侧，所述振子结构具有朝远离所述滑动座的方向延伸的悬伸端，所述弹性件设置于所述侧壁和所述振子结构之间；

所述颗粒阻尼器固定于所述滑动座的另一侧，所述颗粒阻尼器的内壁贴敷有导电膜，所述颗粒阻尼器的内部填充有颗粒体，所述导电膜电连接有电流输出端。

进一步的，所述颗粒阻尼器包括阻尼器壳体，所述颗粒体填充于所述阻尼器壳体的内部，所述导电膜设有两个，两个所述导电膜均连接有导线以输出电流。

进一步的，所述阻尼器壳体为3D打印制成的圆形托盘，其直径为100mm至200mm之间的任意尺寸，内部高度为10mm至30mm之间的任意尺寸。

进一步的，所述颗粒体为球形颗粒，所述球形颗粒采用聚四氟乙烯材料制成。

进一步的，所述球形颗粒的弹性模量E＝1.5X10

进一步的，所述导电膜为导电铝膜，两个所述导电铝膜均贴敷在所述阻尼器壳体的底部内壁。

进一步的，所述弹性件为螺旋压簧，所述螺旋压簧设置有两个，两个所述螺旋压簧关于所述振子结构呈左右对称布置，所述螺旋压簧的弹性方向沿所述中间滑轨的长度方向延伸设置。

进一步的，所述螺旋压簧的端部与所述侧壁之间设置有间隙，所述间隙的宽度为1mm至2mm之间的任意尺寸。

进一步的，所述振子结构为柱状振子结构，所述柱状振子结构的长度方向平行于所述侧壁延伸布置。

进一步的，所述侧壁为矩形侧壁，所述中间滑轨垂直连接于两个所述侧壁的上部之间，所述滑动座上开设有导向孔，所述中间滑轨与所述导向孔间隙配合。

有益效果：该基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置采用了刚性支架、振子结构、颗粒阻尼器和弹性件的设计形式，其中，刚性支架由两个侧壁和中间滑轨组成，中间滑轨固定连接于两个侧壁之间，滑动座导向移动安装在中间滑轨上，振子结构和颗粒阻尼器分别固定在滑动座上。由于振子结构具有朝远离滑动座方向延伸的悬伸端，即振子结构可在流场中感应来流冲击，在来流作用下可发生涡激振动，并带动滑动座和颗粒阻尼器同步运动。

并且，振子结构带动滑动座和颗粒阻尼器沿着中间滑轨来回运动，与此同时，在弹性件的弹力作用下，确保振子结构和颗粒阻尼器3的运动持续性，有效地将来流冲击作用传递至颗粒阻尼器。由于颗粒阻尼器的内部设置有导电膜和颗粒体，随着颗粒阻尼器的来回运动，颗粒体与颗粒体之间、颗粒体与内壁面产生非弹性碰撞和摩擦。

根据摩擦起电和静电感应原理，两个极性不同的材料接触所产生的表面静电荷会形成随时间变化的电场来驱动电子在外电路中流动，最终形成了电流，在抑制振动的同时，实现了收集能量并转化为电能的目的，避免了应用于海洋流场中时涡激振动能量的浪费，可对振动能量进行转化收集起来，整个装置的功能性更好。

附图说明

图1为本发明的基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置的具体实施例中装置的立体示意图；

图2为本发明的基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置的具体实施例中装置的主视意图；

图3为本发明的基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置的具体实施例中装置的俯视示意图。

图中：1-刚性支架、10-滑动座、11-侧壁、12-中间滑轨、2-振子结构、3-颗粒阻尼器、30-阻尼器壳体、31-颗粒体、4-弹性件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置的具体实施例1，如图1至图3所示，基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置包括刚性支架1、振子结构2、颗粒阻尼器3和弹性件4，刚性支架1上移动安装有滑动座10，振子结构2、颗粒阻尼器3分别与滑动座10固定连接；刚性支架1包括两个侧壁11和中间滑轨12，两个侧壁11平行间隔设置，中间滑轨12固定连接于两个侧壁11之间，滑动座10与中间滑轨12导向配合。

振子结构2固定于滑动座10的一侧，振子结构2具有朝远离滑动座10的方向延伸的悬伸端，弹性件4设置于侧壁11和振子结构2之间；颗粒阻尼器3固定于滑动座10的另一侧，颗粒阻尼器3的内壁贴敷有导电膜(图中未示出)，颗粒阻尼器3的内部填充有颗粒体31，导电膜电连接有电流输出端。

该基于涡激振动的颗粒阻尼能量收集及振动抑制装置采用了刚性支架1、振子结构2、颗粒阻尼器3和弹性件4的设计形式，其中，刚性支架1由两个侧壁11和中间滑轨12组成，中间滑轨12固定连接于两个侧壁11之间，滑动座10导向移动安装在中间滑轨12上，振子结构2和颗粒阻尼器3分别固定在滑动座10上。由于振子结构2具有朝远离滑动座10方向延伸的悬伸端，即振子结构2可在流场中感应来流冲击，在来流作用下可发生涡激振动，并带动滑动座10和颗粒阻尼器3同步运动。

并且，振子结构2带动滑动座10和颗粒阻尼器3沿着中间滑轨12来回运动，与此同时，在弹性件4的弹力作用下，确保振子结构2和颗粒阻尼器3的运动持续性，有效地将来流冲击作用传递至颗粒阻尼器3。由于颗粒阻尼器3的内部设置有导电膜和颗粒体31，随着颗粒阻尼器3的来回运动，颗粒体31与颗粒体31之间、颗粒体31与内壁面产生非弹性碰撞和摩擦。

根据摩擦起电和静电感应原理，两个极性不同的材料接触所产生的表面静电荷会形成随时间变化的电场来驱动电子在外电路中流动，最终形成了电流，在抑制振动的同时，实现了收集能量并转化为电能的目的，避免了应用于海洋流场中时涡激振动能量的浪费，可对振动能量进行转化收集起来，整个装置的功能性更好。

在本实施例中，颗粒阻尼器3包括阻尼器壳体30，颗粒体31填充于阻尼器壳体30的内部，导电膜设有两个，两个导电膜均连接有导线以输出电流。具体的，导电膜为导电铝膜，两个导电铝膜均贴敷在阻尼器壳体30的底部内壁，两个导电铝膜连通有两个导线，即可产生并输出电流。

作为进一步的优选方案，阻尼器壳体30为3D打印制成的圆形托盘，其直径为100mm至200mm之间的任意尺寸，内部高度为10mm至30mm之间的任意尺寸。在本实施例中，阻尼器壳体30的直径为113mm，内部高度为20mm。

其中，颗粒体31为球形颗粒，球形颗粒采用聚四氟乙烯材料制成。球形颗粒的弹性模量E＝1.5X10

弹性件4为螺旋压簧，螺旋压簧设置有两个，两个螺旋压簧关于振子结构2呈左右对称布置，螺旋压簧的弹性方向沿中间滑轨12的长度方向延伸设置。并且，螺旋压簧的端部与侧壁11之间设置有间隙，间隙的宽度为1mm至2mm之间的任意尺寸。在螺旋压簧的端部与侧壁11之间预留出间隙，可改变振子结构2和颗粒阻尼器3的来回运动频率和振动幅度。自由液面高于振子结构2，且低于滑动座10，调节螺旋压簧的刚度大小，可使振子结构2的共振频率处于1Hz至3Hz之间。

振子结构2为柱状振子结构，柱状振子结构的长度方向平行于侧壁11延伸布置。安装后，使刚性支架1与来流方向垂直，确保滑动座10沿着中间滑轨12自由运动，同时也约束振子结构2的振动方向与来流方向相垂直。

另外，侧壁11为矩形侧壁，中间滑轨12垂直连接于两个侧壁11的上部之间，滑动座10上开设有导向孔，中间滑轨12与滑动座10的导向孔间隙配合。

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