一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置

1.本发明涉及结构工程及振动控制技术领域，具体而言，涉及一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置。


背景技术：

2.筒体结构广泛应用于各种工程领域，主要涉及土木工程、海洋工程、航空航天工程以及化学工业等前沿领域。
3.然而，筒体结构在其使用寿命期间可能会遭受风荷载、水流荷载以及其他复杂面荷载作用下产生振动的问题，振动不仅会导致工作人员的极度不舒适、降低结构的寿命，严重时还会导致结构及其构件的破坏，从而导致人员伤亡和经济损失。
4.现阶段对于拉索在结构减振技术中的研究和应用十分广泛。同时，压电叠堆因具有位移分辨率高、结构简单、发热小、体积小、刚度高、响应速度快、不受磁场干扰、无磨损、不需润滑等优点也被广泛地应用在传感器、作动器、控制器等设备上。
5.但是，现阶段拉索应用中的控制对象多数集中在传统的桁架、高柔的悬臂结构等，鲜有学者提出将拉索与压电叠堆组合使用于筒体结构及其扩展结构进行减振控制的研究。


技术实现要素：

6.鉴于此，本发明的目的在于设计一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，安装在筒体结构上即可获得减振效果，该装置能够单一应用于筒体结构控制振动，也能多组联合设置在筒体结构中相互配合使用，进一步提高振动控制效果，当筒体结构发生振动时，该装置通过压电叠堆作动器控制拉索上的拉力，从而对筒体结构进行有效的振动控制，以获得良好的减振效果。
7.本发明提供一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，包括：
8.拉索、滑轨、压电叠堆作动器、传感器、控制器；其中，所述滑轨固定连接在筒体结构的外圆柱面，所述拉索滑动连接在所述滑轨上，所述拉索通过所述滑轨环绕筒体结构，所述滑轨的截面尺寸与所述拉索的截面尺寸相匹配；在实际实施过程中拉索的长度应根据筒体结构的尺寸进行设计；拉索的长度要适合，以保证拉索在后续预应力的施加过程中能够达到设计值，如果拉索的长度过长可能导致后续张拉过程中应力过小；
9.设置滑轨的作用在于固定拉索的位置、有效减小拉索和筒体之间的摩擦，保证将拉索上的环向拉力传递给筒体结构用于圆柱壳结构的减振控制，滑轨的尺寸应根据拉索直径的大小以及外部条件进行选择；
10.所述压电叠堆作动器安装设置在所述拉索的两个端头的对接处；压电叠堆作动器为拉索提供作动力；所述传感器安装设置在筒体结构的外圆柱面上，传感器的功能是将筒体结构的振动情况和外部荷载施加情况实时传递给控制器，为控制器计算控制力的大小提供实时数据；所述控制器与所述压电叠堆作动器一起固定连接在筒体结构上，所述传感器通过电路或者无线数据传输方式与所述控制器之间信号连接。
11.进一步地，所述压电叠堆作动器的内部包括：压电叠堆、顶升装置、传力板，所述压电叠堆与所述顶升装置分别位于压电叠堆作动器内部相对的两个边缘；
12.所述传力板靠接在所述压电叠堆和所述顶升装置伸向压电叠堆作动器中心的一端；所述传力板面向压电叠堆作动器中心的一面设置有拉索固定端头、作动器内压力传感器，其中，所述拉索固定端头与环绕筒体结构一圈后的所述拉索固定连接，所述顶升装置推动所述传力板给拉索施加预应力，沿传力板的受力方向平行设置有传力板滑槽，传力板能够在所述传力板滑槽中做滑行运动，所述作动器内压力传感器采集预应力的数值。
13.等到作动器内压力传感器的数值稳定后，拉索预拉完成，此时压电叠堆7上存在一定数值预压力。
14.进一步地，所述压电叠堆作动器的外部包括：拉索连接桩，所述拉索连接桩共有两根，其中一根连接靠接压电叠堆的传力板，另一根连接靠接顶升装置的传力板。
15.进一步地，所述传力板和拉索连接桩之间安装设置有拉力传感器，所述拉力传感器的一端固定连接在传力板上，另一端固定连接在拉索连接桩上。
16.进一步地，所述传感器的类型为：加速度传感器、速度传感器、压力传感器中的一种或多种的组合。
17.进一步地，所述拉索的材料包括：高强钢、碳纤维、钛合金中的任一种。
18.使用高强耐拉材料可以提高拉索的控制性能和使用寿命，所述拉索材料根据使用环境进行选择，优选强度高、弹性模量大的材料；若使用环境具有腐蚀性，应选择耐腐蚀材料。
19.进一步地，所述滑轨的材料包括：钢材、钛合金、高分子复合材料中的任一种。
20.滑轨的材料应采用低摩擦系数的材料，因为在控制拉索张拉时，滑轨的材料摩擦系数越低，拉索的应力传递到筒体结构就会越均匀，损失也就越小，控制效果也就越好。
21.进一步地，所述滑轨固定连接在筒体结构的方式包括：铆接、焊接、粘接中的任一种。
22.滑轨与筒体结构采用焊接、铆接或者粘接的连接方式，保证滑轨与筒体的稳固连接，同时能够保证在后续的施加控制力过程中，拉索的位置不发生改变。
23.进一步地，所述压电叠堆作动器为双拉索压电叠堆作动器，滑轨为双滑轨。
24.采用双拉索设计，在实施中滑轨应为双滑轨。拉索在环绕筒体一周后，在拉索对接位置上接入图2所示的双拉索压电叠堆作动器。优选地，为了安装以及维修方便，双拉索压电叠堆作动器和控制器一起通过筒体结构上预留的固定支座锚固在筒体结构上，固定支座在筒体结构上的安装位置需要事先标定，与筒体结构进行螺栓连接或者焊接。
25.进一步地，所述压电叠堆作动器为圆柱体型，采用三个沿圆周周向布置的压电叠堆，能够显著提高压电叠堆作动器的作动力。
26.本发明的减振装置在具体使用过程中可以单个使用，当筒体结构尺寸较大需要多点控制时，可使用多个减振装置联合控制。在实施过程中，在筒体振动较大的部位考虑增加减振装置的数量。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.本发明筒体结构减振装置能够单一应用于筒体结构控制振动，也能多组联合设置在筒体结构中相互配合使用，使用方式灵活，可应用于建筑中的大型管道结构，也可应用于
船舶与海洋工程领域和交通工程领域中的筒体结构，当筒体结构发生振动时，能够通过压电叠堆作动器控制拉索上的拉力，对筒体结构进行有效的振动控制，提高了振动控制效率，获得了良好的减振效果。
附图说明
29.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
30.在附图中：
31.图1为本发明实施例所提供的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置安装示意图；
32.图2为本发明实施例所提供的一种双拉索压电叠堆作动器的整体示意图；
33.图3为本发明实施例的双拉索压电叠堆作动器的内部组件示意图；
34.图4为本发明实施例所供的一种单拉索压电叠堆作集成动器的整体示意图；
35.图5为本发明实施例的单拉索压电叠堆作动器的内部组件示意图。
36.附图图中标记为：
37.1-筒体结构，2-传感器，3-滑轨，4-拉索，5-控制器，6-压电叠堆作动器，7-压电叠堆，8-作动器内压力传感器，9-拉索固定端头，10-顶升装置，11-传力板滑槽，12-传力板，13-拉索连接桩，14-拉力传感器，15-固定支座。
具体实施方式
38.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
39.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
40.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
41.下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
42.实施例1
43.本发明的一个实施例提供了一种双拉索压电叠堆作动器，参见图3所示。所述压电叠堆作动器6应用于筒体结构1时，首先根据被控的筒体结构1的材料特性和物理特性，预估拉索4的截面积大小，根据拉索4的截面积确定滑轨3的滑槽尺寸。然后根据筒体结构1预先
确定的拉索4的作用位置，将滑轨3固定在筒体结构1上。再将拉索4放置在滑轨3的滑槽中，并环绕筒体一圈后，将拉索4连接到双拉索压电叠堆作动器中的传力板12上，并施加一定数值的预应力，最终通过压电叠堆作动器6施加控制力对筒体结构1进行振动控制。
44.依据筒体结构1的仿真计算结果确定拉索4以及滑轨3截面的尺寸。本实施例中，以采用一组减振装置为例，首先确定拉索4的布置位置，然后通过有限元仿真计算得到所需控制力的范围。在求得控制力峰值以后，根据拉索4所选取的材料特性，计算拉索截面积。确定拉索4的截面积以后，计算确定滑轨3的尺寸，滑轨3的滑槽尺寸应略大于拉索4尺寸，以减小摩檫力。然后将滑轨3通过焊接、铆接或粘接方式固定在筒体结构1上。拉索4放置于滑轨3的滑槽中，并环绕在筒体结构1上。
45.本发明实施例中拉索4和滑轨3的材料选用高强钢、碳纤维以及钛合金钢中的任一种，使得拉索4和滑轨3具有重量轻、阻尼小、抗拉强度高等特征，非常适用于较为柔性的筒体结构的振动控制场合。
46.本实施例中采用双拉索设计，因此在实施中滑轨3设计为双滑轨。拉索4在环绕筒体结构1一个圆周后，在拉索4的两个端头对接位置连接到如图2的所示的双拉索压电叠堆作动器。
47.优选地，为了安装以及维修方便，双拉索的压电叠堆作动器6和控制器5一起通过筒体结构1上预留的固定支座15锚固在筒体上。在安装固定支座15时，事先标定固定支座15在筒体结构1上的安装位置，然后将固定支座15与筒体结果1进行螺栓连接或者焊接。
48.调节顶升装置10，让顶升装置拖着传力板12沿着传力板滑槽11滑行，回缩直到不能回缩为止。传力板滑槽11的设置，能够保证压电叠堆7和顶升装置10受力均匀。
49.拉索4的两端分别穿过传力板12上预留的孔洞，然后调节拉索4的长度，使得拉索4的长度能紧紧包裹住筒体结构1。然后安装作动器内压力传感器8，用以测量拉索4上的拉力，作动器内压力传感器有4个，分别对应两根拉索4的两端。最后在拉索4的两端分别装拉索固定端头9，将拉索4进行锚固。
50.锚固完成后，给拉索4施加一定数值的预拉力。操作液压系统，使得顶升装置10开始顶升，此时因为顶升作用，拉索4上的拉力在逐渐增加。通过作动器内压力传感器8的数据，得到拉索4上的拉力值，通过不断顶升直至拉索4上的应力值达到设计值，继续顶升，使得拉索上的拉力值超过设计值的百分之三，停止顶升，锁死顶升装置10，静置装置，让拉索4开始预应力损失，等到作动器内压力传感器8的数值稳定后，拉索4的预拉完成，此时压电叠堆7上存在一定数值预压力。
51.压电叠堆作动器6和控制器5通过电路或者无线信号传输连接，控制器5连接有电源。减振装置使用时，压电叠堆作动器6主动接收被控的筒体结构1的状态反馈信息，然后将输出信号传输至压电叠堆7，压电叠堆7伸长或者缩短。当压电叠堆7伸长时，驱动所述拉索4进行拉紧；反之当压电叠堆7缩短时，驱动拉索4进行放松。拉索4的拉力经过滑轨3转化为压力作用于被控的筒体结构1中，形成对圆柱形的筒体结构1的控制力，对筒体结构1进行振动控制。
52.实施例2
53.本发明的另一个实施例提供了一种单拉索压电叠堆作动器，参见图4、图5所示。本实施例的减振装置适用于刚度较大的结构，在本实施例设计中，压电叠堆作动器6采用三个
沿圆周布置的压电叠堆7，能够显著提高压电叠堆作动器6的作动力。
54.首先根据被控的筒体结构1的材料特性和物理特性，预估拉索4的截面积大小，根据拉索4的截面积确定滑轨3的的滑槽尺寸。然后根据筒体结构1预先确定的拉索4的作用位置将滑轨3固定在筒体结构1上。再将拉索4放置在滑轨3的滑槽中，并环绕筒体结构1一圈后，将拉索4连接到压电叠堆作动器6中的传力板12上，并施加一定数值的预应力，最终通过压电叠堆作动器6施加控制力来对筒体结构进行振动控制。
55.根据筒体结构1的仿真计算结果确定拉索4以及滑轨3截面的尺寸。以采用一组减振装置为例，首先确定拉索4的设置位置，然后通过有限元仿真计算得到所需控制力的范围。在求得控制力峰值以后，根据拉索4所选取的材料特性，计算拉索4的截面积。确定拉索4的截面积以后确定滑轨3的尺寸，滑轨3的滑槽尺寸应略大于拉索4尺寸，以减小摩檫力。然后将滑轨3通过焊接、铆接或粘接方式固定在筒体结构1上。拉索4放置于滑轨3的滑槽中，并环绕在筒体结构1上。
56.本实施例中，拉索4和滑轨3的材料采用高强钢、碳纤维以及钛合金钢中的任一种，使得拉索4和滑轨3具有重量轻、阻尼小、抗拉强度高等特征，非常适用于较为柔性的筒体结构的振动控制场合。
57.本实施例中采用单拉索设计，因此在实施中滑轨3为单滑轨设计。拉索4在环绕筒体1一个圆周后，在拉索4的两个端头对接位置连接到如图5的所示的单拉索的压电叠堆作动器6。
58.优选地，为了安装以及维修方便，单拉索的压电叠堆作动器6和控制器5一起通过筒体结构1上预留的固定支座15锚固在筒体结构1上，安装固定支座15时，事先标定固定支座15在筒体结构1上的安装位置，然后与筒体结构1进行焊接。
59.拉索连接桩13共有两根，一根通过传力板12连接顶升装置10，另外一根通过传力板12连接压电叠堆7，在拉索连接桩13和传力板之间安装有拉力传感器14。拉力传感器的一端锚固在传力板12上，另外一端锚固在拉索连接桩13上，共同组成拉力传感系统。
60.调节顶升装置10，让顶升装置拖着传力板12回缩，回缩到不能回缩为止。拉索4的两端分别穿过两根拉索连接桩13上预留的孔洞，然后调节拉索4的长度，使得拉索4的长度能紧紧包裹住筒体结构1，然后使用夹具将拉索4进行锚固，防止拉索4滑动。
61.锚固完成后，此时给拉索4施加一定数值的预拉力。操作液压系统，使得顶升装置10开始顶升，因为顶升作用，拉索4上的拉力在逐渐增加。通过拉力传感器14的数据，得到拉索4上的拉力值，通过不断顶升直至拉索4上的应力值达到设计值，继续顶升，使得拉索上的拉力值超过设计值百分之三，停止顶升，锁死液压顶升装置10，静置装置，让拉索4开始预应力损失，等到拉力传感器14数值稳定后，拉索4的预拉完成，此时压电叠堆7上存在一定预压力。
62.压电叠堆作动器6和控制器5通过电路或者无线信号传输连接，控制器5连接有电源。减振装置使用时，压电叠堆作动器6主动接收被控的筒体结构1的状态反馈信息，然后将输出信号传输至压电叠堆7，压电叠堆7伸长或者缩短。当压电叠堆7伸长时，驱动拉索4进行拉紧；反之当压电叠堆7缩短时，驱动拉索4进行放松。拉索4的拉力经过滑轨3转化为压力作用于被控的筒体结构1中，形成对圆柱形的筒体结构1的控制力，以此对筒体结构1进行振动控制。
63.图1、图3与图5中本发明的减振装置为单个减振装置。在同一个筒体结构1上，可以设置多个减振装置以获得更好的减振效果，具有很高的灵活性和可调整性。
64.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例，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：
1.一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，包括：拉索、滑轨、压电叠堆作动器、传感器、控制器；其中，所述滑轨固定连接在筒体结构的外圆柱面，所述拉索滑动连接在所述滑轨上，所述拉索通过所述滑轨环绕筒体结构，所述滑轨的截面尺寸与所述拉索的截面尺寸相匹配；所述压电叠堆作动器安装设置在所述拉索的两个端头的对接处；所述传感器安装设置在筒体结构的外圆柱面上，所述控制器与所述压电叠堆作动器一起固定连接在筒体结构上，所述传感器通过电路或者无线数据传输方式与所述控制器之间信号连接。2.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述压电叠堆作动器的内部包括：压电叠堆、顶升装置、传力板，所述压电叠堆与所述顶升装置分别位于压电叠堆作动器内部相对的两个边缘；所述传力板靠接在所述压电叠堆和所述顶升装置伸向压电叠堆作动器中心的一端；所述传力板面向压电叠堆作动器中心的一面设置有拉索固定端头、作动器内压力传感器，其中，所述拉索固定端头与环绕筒体结构一圈后的所述拉索固定连接，所述顶升装置推动所述传力板给拉索施加预应力，沿传力板的受力方向平行设置有传力板滑槽，传力板能够在所述传力板滑槽中做滑行运动，所述作动器内压力传感器采集预应力的数值。3.根据权利要求2所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述压电叠堆作动器的外部包括：拉索连接桩，所述拉索连接桩共有两根，其中一根连接靠接压电叠堆的传力板，另一根连接靠接顶升装置的传力板。4.根据权利要求3所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述传力板和拉索连接桩之间安装设置有拉力传感器，所述拉力传感器的一端固定连接在传力板上，另一端固定连接在拉索连接桩上。5.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述传感器的类型为：加速度传感器、速度传感器、压力传感器中的一种或多种的组合。6.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述拉索的材料包括：高强钢、碳纤维、钛合金中的任一种。7.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述滑轨的材料包括：钢材、钛合金、高分子复合材料中的任一种。8.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述滑轨固定连接在筒体结构的方式包括：铆接、焊接、粘接中的任一种。9.根据权利要求1所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述压电叠堆作动器为双拉索压电叠堆作动器，滑轨为双滑轨。10.根据权利要求2所述的压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，其特征在于，所述压电叠堆作动器为圆柱体型，采用三个沿圆周周向布置的压电叠堆。

技术总结
本发明提供一种压电叠堆与拉索结合的筒体结构减振装置，包括：拉索、滑轨、压电叠堆作动器、传感器、控制器；其中，滑轨固连在筒体结构的外圆柱面，拉索滑动连接在滑轨上，拉索通过滑轨环绕筒体结构，滑轨的截面尺寸与拉索的截面尺寸相匹配；压电叠堆作动器设置在拉索的两个端头的对接处；传感器设置在筒体结构的外圆柱面上，控制器与压电叠堆作动器一起固连在筒体结构上，传感器通过电路或无线数据传输方式与控制器信号连接。本发明能够单一应用于筒体结构控制振动，也能多组联合设置在筒体结构中相互配合使用，使用方式灵活，当筒体结构发生振动时，通过压电叠堆作动器控制拉索上的拉力，对筒体结构进行有效的振动控制，提高了振动控制效率。动控制效率。动控制效率。


技术研发人员：涂建维 张荣龙 刘浩亮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/10/11