一种非线性减振装置

1.本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种非线性减振装置。


背景技术：

2.振动问题广泛地存在于航天、机械、土木等多个工程领域。例如，在桥梁工程领域，随着轻质高强新材料的使用、施工和设计技术的发展以及人们对建筑物审美的提高，桥梁结构越来越趋向于柔性化。柔性桥梁具有结构刚度较小的特点，因此其振动问题表现明显(如风振、人致振动等)，如何确保结构的安全性以及振动舒适度是业内亟待解决的问题。因此，采取有效措施进行振动控制具有重要研究意义。
3.目前，振动控制理论主要分为被动控制、主动控制和半主动控制。其中，主动控制措施和半主动控制措施均涉及外部能量输入过程，装置维护成本高且可靠性一般；相比之下，被动控制措施不需要外部能量，且具有构造简单、造价低和易维护的优势。因此，在结构上附加被动控制减振装置是当前应用最为广泛的振动控制措施。
4.线性调频减振装置(如tmd)是目前最常用的被动控制装置，但其仅在目标模态频率附近较窄的频带具有减振效果，对频率变化的鲁棒性较差。近年来逐渐兴起的非线性能量阱(nes)则在宽频带内具有减振效果，自适应性好，但对外荷载幅值变化的鲁棒性差。
5.因此，开发一种可实现在宽频、宽幅范围内高效减振的减振装置，是本领域亟待解决的问题。
6.综上所述，急需一种非线性减振装置以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

7.本发明目的在于提供一种非线性减振装置，旨在实现结构在宽频、宽幅范围内的高效减振，具体技术方案如下：
8.一种非线性减振装置，包括框架、滑动块、横向线性伸缩组件和纵向线性伸缩件；所述框架上设有纵向滑轨，滑动块滑动设置于纵向滑轨上，所述纵向线性伸缩件一端连接框架，其另一端连接滑动块；所述框架在纵向滑轨的两侧对称设有导向轨迹槽，所述滑动块在纵向方向的两侧对称设有横向线性伸缩组件；所述横向线性伸缩组件一端连接滑动块，其另一端活动设置于导向轨迹槽中；所述导向轨迹槽包括关于横向方向对称设置的曲线槽段一和曲线槽段二，曲线槽段一和曲线槽段二的轨迹线均为二次函数。
9.以上技术方案中优选的：
10.曲线槽段一的轨迹线为：f(u)＝au
2-bu(u＜0)，
11.曲线槽段二的轨迹线为：f(u)＝au2+bu(u＞0)，
12.其中，a为二次项系数，b为一次项系数，u为纵向坐标轴上的坐标值，f(u)为横向坐标轴上的坐标值；u＝0为曲线槽段一和曲线槽段二的交点处。
13.以上技术方案中优选的，纵向线性伸缩件和横向线性伸缩组件作用于滑动块的恢复力为：
14.fm＝k1u+k2u
·
|u|+k3u3，
15.fm为滑动块所受的恢复力，k1、k2和k3分别为非线性减振系统的线性刚度系数、平方刚度系数和立方刚度系数，其中：k1＝2k
l1
b2+k
l2
，k2＝6k
l1
ab，k3＝4k
l1
a2；k
l1
和k
l2
分别为横向线性伸缩组件和纵向线性伸缩件的刚度系数。
16.以上技术方案中优选的，所述框架在纵向滑轨的两侧设有导向板，所述导向板上设有导向轨迹槽。
17.以上技术方案中优选的，还包括沿纵向设置的阻尼器，所述阻尼器一端连接框架，其另一端连接滑动块。
18.以上技术方案中优选的，所述纵向线性伸缩件为纵向线性弹簧。
19.以上技术方案中优选的，所述横向伸缩组件包括活动部和横向线性弹簧，所述横向线性弹簧的一端连接在滑动块上，其另一端设置活动部；所述活动部设置于导向轨迹槽中，以沿着导向轨迹槽运动。
20.以上技术方案中优选的，所述活动部包括连接座体和滚轮，所述连接座体与横向线性弹簧的端部连接，所述滚轮转动设置于连接座体上，所述滚轮设置于导向轨迹槽中。
21.以上技术方案中优选的，所述横向伸缩组件还包括空心管，所述空心管的一个端部固定设置于滑动块上，所述横向线性弹簧设置于空心管的内部，所述横向线性弹簧能在空心管内部沿横向自由伸缩。
22.以上技术方案中优选的，所述空心管的内壁与横向线性弹簧的外周之间留有间隙。
23.应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
24.1)本发明提供的减振装置为被动控制装置，无需外部能量输入，装置构造简单，造价低且维护成本较低，系统可靠性相对较高。
25.2)本发明提供的减振装置具有多项式的刚度形式，相比于线性调频减振装置具有更优的频率鲁棒性，而相比于传统的非线性能量阱装置具有更优的幅值鲁棒性，本发明提供的减振装置可实现结构在宽频、宽幅范围内的高效减振。
26.3)本发明提供的减振装置通过设置滚轮的滑动轨迹，可精确地实现多项式形式的刚度非线性，而传统的非线性刚度通过弹簧的几何非线性实现，往往进行了略去高阶非线性项的处理。此外，本发明的多项式刚度中的线性刚度系数、平方刚度系数和立方刚度系数均可以单独设置，能更好地满足实际减振需求。
27.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
29.图1是非线性减振装置的整体结构示意图；
30.图2是图1中导向板的结构示意图；
31.图3是图1中横向线性伸缩组件的结构示意图；
32.图4是图1中横向线性伸缩组件隐藏空心管的结构示意图；
33.图5是非线性减振装置处于静止状态的力学示意图；
34.图6是非线性减振装置处于振动状态的力学示意图；
35.其中，1、框架底板，2、框架侧板，3、纵向滑轨，4、滑动块，5、导向板，5.1、导向轨迹槽，5.1.1、曲线槽段一，5.1.2、曲线槽段二，6、横向线性伸缩组件，6.1、空心管，6.2、滚轮，6.3、连接板，6.4、第一端板，6.5、第二端板，6.6、横向线性弹簧，7、纵向线性伸缩件，8、阻尼器。
具体实施方式
36.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
38.实施例：
39.参见图1-图4，一种非线性减振装置，即一种非线性能量阱减振装置，包括框架、滑动块4、横向线性伸缩组件6和纵向线性伸缩件7；所述框架上设有纵向滑轨3，滑动块4滑动设置于纵向滑轨3上，所述纵向线性伸缩件7一端连接框架，其另一端连接滑动块4；所述框架在纵向滑轨3的两侧对称设有导向轨迹槽5.1，所述滑动块4在纵向方向的两侧对称设有横向线性伸缩组件6；所述横向线性伸缩组件一端连接滑动块4，其另一端活动设置于对应的导向轨迹槽中(即同侧的导向轨迹槽中)；所述导向轨迹槽5.1包括依次设置的曲线槽段一5.1.1和曲线槽段二5.1.2，曲线槽段一和曲线槽段二关于横向方向对称设置且两者的轨迹线均为二次函数。具体的，滑动块4在纵向滑轨上滑动时，横向线性伸缩组件的端部沿着导向轨迹槽进行运动，并且随着导向轨迹槽的变化进行伸缩。本实施例中横向线性伸缩组件的伸缩量与其产生的横向的弹性力是线性变化；纵向线性伸缩件的伸缩量与其产生的纵向的弹性力是线性变化；两者组合起来并结合曲线槽提供的支承力使滑动块所受弹性力与滑动块的位移呈非线性关系。
40.进一步的，所述非线性减振装置还包括沿纵向设置的阻尼器8，所述阻尼器8一端连接框架，其另一端连接滑动块4，所述阻尼器用于在纵向方向上提供阻尼力，所述阻尼器的阻尼系数为c。
41.优选的，所述阻尼器和纵向线性伸缩件7的数量可以是多件。进一步的，本实施例中所述纵向线性伸缩件7为一个纵向线性弹簧。
42.参见图1，本实施例中所述框架包括框架底板1和框架侧板2，所述框架底板1纵向方向上的两端均设有框架侧板2，所述纵向滑轨3则设置于框架底板1上且两个端部分别顶住两个框架侧板2。
43.参见图2，本实施例中所述框架在纵向滑轨3的两侧设有导向板5，所述导向板5上设有导向轨迹槽5.1。具体的，本实施例中所述导向板5的两端分别与两个框架侧板2连接。本领域人员可以理解，图2仅仅是示意了一种导向板和导向轨迹槽的设置方式，本领域人员可以对该结构设置进行改进，例如将导向板朝向纵向滑轨3的侧面做成导向轨迹槽也是有
可能的，在这种情况下横向线性伸缩组件的端部则沿着导向板的侧面滑动。
44.参见图3和图4，所述横向伸缩组件6包括活动部和横向线性弹簧6.6，所述横向线性弹簧6.6的一端连接在滑动块4上，其另一端设置活动部；所述活动部设置于导向轨迹槽5.1中，以实现活动部沿着导向轨迹槽5.1运动，而横向线性弹簧则根据导向轨迹槽的变化进行伸缩。
45.进一步的，所述活动部包括连接座体和滚轮6.2，所述连接座体与横向线性弹簧的端部连接，所述滚轮6.2转动设置于连接座体上，所述滚轮6.2设置于导向轨迹槽5.1中。
46.具体的，本实施例中所述连接座体包括第一端板6.4和两个连接板6.3，所述第一端板的一面与横向线性弹簧6.6固定连接，另一面则设置两个平行的连接板6.3，所述滚轮6.2的两端分别与两个连接板转动连接；所述滚轮6.2设置于导向轨迹槽中，两个连接板分别位于导向板的上、下侧，滚轮的上端面、下端面分别突出导向板的上表面和下表面设置，避免连接板与导向板之间产生不必要的摩擦阻力。
47.参见图3和图4，所述横向伸缩组件6还包括空心管6.1，所述空心管6.1的一个端部固定设置于滑动块4上，所述横向线性弹簧6.6的端部通过第二端板6.5设置于滑动块上且横向线性弹簧和第二端板6.5均设置于空心管6.1的内部，所述横向线性弹簧6.6能在空心管6.1内部沿横向自由伸缩，通过空心管6.1使得所述横向线性弹簧6.6仅在垂直于所述滑动块4振动的方向发生拉伸或压缩。
48.进一步的，本实施例中所述第一端板6.4同样为位于空心管的内部，并随着横向线性弹簧6.6的伸缩在空心管的内部进行运动。
49.具体的，所述空心管6.1的内壁与横向线性弹簧6.6的外周之间留有间隙，优选留有1-10mm的间隙，实现横向线性弹簧能在空心管内部自由伸缩。
50.进一步的，为了避免过大的摩擦力对整个振动系统造成影响，所述滑动块4与纵向滑轨3的接触面、所述滚轮6.2与导向轨迹槽5.1的接触面、所述第一端板6.4与空心管6.1的接触面应保持光滑。
51.具体的，本实施例中曲线槽段一5.1.1的轨迹线为：
52.f(u)＝au
2-bu(u＜0)
ꢀꢀꢀ
(1)，
53.曲线槽段二5.1.2的轨迹线为：
54.f(u)＝au2+bu(u＞0)
ꢀꢀꢀ
(2)，
55.其中，a为二次项系数，b为一次项系数，u为纵向坐标轴上的坐标值，f(u)为横向坐标轴上的坐标值；u＝0为曲线槽段一和曲线槽段二的交点处，交点处即为平衡位置，此位置时横向线性弹簧和纵向线性伸缩件(即纵向线性弹簧)均不发生伸缩，不产生弹性力。
56.参见图5和图6，当滑动块4处于静止状态时，横向线性弹簧6.6和纵向线性伸缩件7均未发生变形，不产生弹性力，此时滑动块4处于平衡位置(即静止状态)；当滑动块4处于振动状态时，横向线性弹簧6.6和纵向线性伸缩件7发生拉伸或压缩，滑动块4受到指向平衡位置的弹性恢复力，具体的原理分析如下：
57.建立坐标系，滑动块4被限制在u轴的方向往复运动，且曲线槽段一和曲线槽段二关于v轴对称，滑动块4的质量为m。
58.当滚轮6.2运动至如图6所示的位置时，滚轮所处位置的切线的斜率为：
[0059][0060]
单个滚轮6.2受到的v方向的力为：
[0061]fv
＝k
l1
·
f(u)
ꢀꢀꢀ
(4)，
[0062]
设导向轨迹槽5.1内壁对滚轮6.2的反作用力为r，则单个滚轮6.2在u方向和v方向的分力与反作用力的关系为：
[0063][0064]
那么单个滚轮6.2在u方向和v方向的分力间的关系可表示为：
[0065]fu
＝fv·
tanθ
ꢀꢀꢀ
(6)，
[0066]
因此，结合两侧滚轮6.2运动所传递的非线性恢复力以及纵向线性伸缩件7所产生的线性恢复力，得到滑动块4在振动过程中受到的合力：
[0067][0068]
因此获得，纵向线性伸缩件和横向线性伸缩组件作用于滑动块4的多项式非线性恢复力为：
[0069]fm
＝k1u+k2u
·
|u|+k3u3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)，
[0070]fm
为滑动块所受的恢复力；k1、k2和k3分别为非线性减振系统的线性刚度系数、平方刚度系数和立方刚度系数；
[0071]
系统的线性、平方和立方刚度系数与导向轨迹槽5.1的几何参数以及横向线性弹簧6.6和纵向线性伸缩件7(即纵向线性弹簧)刚度系数的关系如下：
[0072]
k1＝2k
l1
b2+k
l2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)，
[0073]
k2＝6k
l1
ab
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)，
[0074]
k3＝4k
l1
a2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)，
[0075]
其中，k
l1
和k
l2
分别为横向线性伸缩组件和纵向线性伸缩件的刚度系数。
[0076]
由此可知，本实施例提供的减振装置在工作时，滑动块4在纵向动力荷载作用下沿纵向滑轨3的方向来回运动，进而带动横向线性弹簧6.6和纵向线性伸缩件7发生弹性变形，这种弹簧布置及组合方式，使得系统产生的弹性恢复力与滑动块4的位移呈多项式关系，即包含了线性、平方和立方刚度系数项，这种非线性刚度组合形式使得减振装置能实现在宽频、宽幅范围内的高效减振。
[0077]
应用本发明的技术方案，效果是：
[0078]
本实施例的具有多项式刚度形式的非线性减振装置，通过在导向板5中设置具有导向轨迹槽，为滚轮6.2提供了稳定可靠的滑动轨迹；通过滚轮6.2在导向轨迹槽5.1中的滑动，实现了精确包含线性、平方和立方项的多项式刚度；通过增设纵向线性伸缩件7，消除了线性刚度系数与平方刚度系数的耦合关系，线性刚度系数、平方刚度系数和立方刚度系数均可独立设置，能更好地满足实际减振需求。可实现结构在宽频、宽幅范围内的高效减振，
有效克服了现有技术的缺陷，且具有很大的实用价值。
[0079]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种非线性减振装置，其特征在于，包括框架、滑动块(4)、横向线性伸缩组件(6)和纵向线性伸缩件(7)；所述框架上设有纵向滑轨(3)，滑动块(4)滑动设置于纵向滑轨(3)上，所述纵向线性伸缩件(7)一端连接框架，其另一端连接滑动块(4)；所述框架在纵向滑轨(3)的两侧对称设有导向轨迹槽(5.1)，所述滑动块(4)在纵向方向的两侧对称设有横向线性伸缩组件(6)；所述横向线性伸缩组件一端连接滑动块(4)，其另一端活动设置于导向轨迹槽中；所述导向轨迹槽(5.1)包括关于横向方向对称设置的曲线槽段一(5.1.1)和曲线槽段二(5.1.2)，曲线槽段一和曲线槽段二的轨迹线均为二次函数。2.根据权利要求1所述的非线性减振装置，其特征在于：曲线槽段一(5.1.1)的轨迹线为：f(u)＝au
2-bu(u＜0)，曲线槽段二(5.1.2)的轨迹线为：f(u)＝au2+bu(u＞0)，其中，a为二次项系数，b为一次项系数，u为纵向坐标轴上的坐标值，f(u)为横向坐标轴上的坐标值；u＝0为曲线槽段一和曲线槽段二的交点处。3.根据权利要求2所述的非线性减振装置，其特征在于，纵向线性伸缩件和横向线性伸缩组件作用于滑动块(4)的恢复力为：f
m
＝k1u+k2u
·
u+k3u3，f
m
为滑动块所受的恢复力，k1、k2和k3分别为非线性减振系统的线性刚度系数、平方刚度系数和立方刚度系数，其中：k1＝2k
l1
b2+k
l2
，k2＝6k
l1
ab，k3＝4k
l1
a2；k
l1
和k
l2
分别为横向线性伸缩组件和纵向线性伸缩件的刚度系数。4.根据权利要求1所述的非线性减振装置，其特征在于，所述框架在纵向滑轨(3)的两侧设有导向板(5)，所述导向板(5)上设有导向轨迹槽(5.1)。5.根据权利要求1所述的非线性减振装置，其特征在于，还包括沿纵向设置的阻尼器(8)，所述阻尼器(8)一端连接框架，其另一端连接滑动块(4)。6.根据权利要求1所述的非线性减振装置，其特征在于，所述纵向线性伸缩件(7)为纵向线性弹簧。7.根据权利要求1-6任意一项所述的非线性减振装置，其特征在于，所述横向伸缩组件(6)包括活动部和横向线性弹簧(6.6)，所述横向线性弹簧(6.6)的一端连接在滑动块(4)上，其另一端设置活动部；所述活动部设置于导向轨迹槽(5.1)中，以沿着导向轨迹槽(5.1)运动。8.根据权利要求7所述的非线性减振装置，其特征在于，所述活动部包括连接座体和滚轮(6.2)，所述连接座体与横向线性弹簧的端部连接，所述滚轮(6.2)转动设置于连接座体上，所述滚轮(6.2)设置于导向轨迹槽(5.1)中。9.根据权利要求8所述的非线性减振装置，其特征在于，所述横向伸缩组件(6)还包括空心管(6.1)，所述空心管(6.1)的一个端部固定设置于滑动块(4)上，所述横向线性弹簧(6.6)设置于空心管(6.1)的内部，所述横向线性弹簧(6.6)能在空心管(6.1)内部沿横向自由伸缩。10.根据权利要求9所述的非线性减振装置，其特征在于，所述空心管(6.1)的内壁与横向线性弹簧(6.6)的外周之间留有间隙。

技术总结
本发明提供一种非线性减振装置，包括框架、滑动块、横向线性伸缩组件和纵向线性伸缩件；所述框架上设有纵向滑轨，滑动块滑动设置于纵向滑轨上，所述纵向线性伸缩件一端连接框架，其另一端连接滑动块；所述框架在纵向滑轨的两侧对称设有导向轨迹槽，所述滑动块在纵向方向的两侧对称设有横向线性伸缩组件；所述横向线性伸缩组件一端连接滑动块，其另一端活动设置于导向轨迹槽中；所述导向轨迹槽包括关于横向方向对称设置的曲线槽段一和曲线槽段二，曲线槽段一和曲线槽段二的轨迹线均为二次函数。本发明的减振装置具有多项式的刚度形式，具有更优的鲁棒性，可实现结构在宽频、宽幅范围内的高效减振。围内的高效减振。围内的高效减振。


技术研发人员：魏晓军 戴晓欣 夏冉 张竞巍 何雨晴
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/24