一种带有非线性刚度的碰撞消振装置

1.本发明涉及的是一种消振装置，具体地说是非线性刚度的消振装置。


背景技术：

2.无论是在生活中，还是在工程上，振动这种特殊的运动形式都无处不在。在许多情况下，振动往往会给人们的日常生活、机器的工作运转带来负面影响。早在19世纪，就曾发生过因为振动导致桥梁垮塌的事故。同样在工程领域，例如各类旋转机械，一旦转子部分在制造时不均匀而产生了偏心质量，机器在工作时就时刻承受着周期性的简谐力的作用，使得机器的工作条件恶化，严重时造成机器毁坏甚至发生威胁人身安全的重大事故。
3.被动振动控制策略通常具有不需要外界能量、结构简单、易于实现、经济性和可靠性好等优点，因此在工程中得到广泛应用。调谐质量阻尼器是一种重要的被动振动控制设备，由frahm在1909年提出后在工程技术领域得到广泛应用。通过在待减振结构上附上一个较小的质量，当待减振结构受到激励后，调谐质量阻尼器会在待减振结构的作用下开始振动，当激励频率等于调谐质量阻尼器的固有频率时，待减振结构的振动会被调谐质量阻尼器吸收，从而达到减振的作用。但是，调谐质量阻尼器仅在窄频带范围内有效，并不适用于宽频带范围的减振，这是其理论上不可克服的缺点。
4.随着人们对非线性振动研究的不断深入，人们发现具有非线性刚度的质量-弹簧系统能够在宽频带范围内与待减振结构之间引起共振，并高效地从待减振结构中吸收振动能量。与传统的调谐质量阻尼器等设备不同的是，具有非线性特性的设备表现为不同的动力学特性。通过合理地设计非线性子结构中的质量、弹簧、阻尼等参数，可以实现能量从待减振结构向非线性子结构单向传递，并通过阻尼将能量在非线性子结构中耗散。因此，阻尼参数的设计就显得尤为重要，然而，实际应用中阻尼参数与理论值存在差异，精准的阻尼难以设计获得，这就给非线性装置的设计带来困难。
5.碰撞可以快速耗散能量，尤其是冲击、爆炸等产生的能量能够通过质量之间的碰撞迅速被耗散。利用碰撞动力学设计出来的消振装置能够在短时间迅速耗散系统中的能量。同时，碰撞能够迅速改变系统状态，从而对整个系统的动力学特性产生影响。另一方面，影响碰撞系统中的关键参数，如恢复系数、碰撞间隙、质量比等容易精准设计。因此，利用碰撞实现能量耗散具有明显优势。
6.公开号为cn 107606027 b的发明提出了一种两自由度碰撞非线性消振装置，其特征在于该发明装置由两个线性的单自由度质量弹簧系统通过对称布置从待减振结构中吸收能领，并通过该装置与待减振结构连接处发生碰撞耗散系统中的机械能，从而达到减振的目的。该发明通过线性弹簧实现其与待减振结构之间的耦合，其非线性体现在碰撞而不是非线性刚度上。
7.公开号为cn 110043592 a的发明提出了一种使用黏弹性阻尼器的非线性消振器，其特征在于该非线性消振器利用黏弹性阻尼器替代一般的阻尼实现能量耗散，适用于微振动环境。该发明利用阻尼原理耗散能量。
8.综上所述，利用阻尼实现能量耗散存在阻尼参数难以设计的问题，利用待减振结构与碰撞非线性消振装置之间的碰撞实现耗散能量会导致待减振结构局部发生损坏，尤其是对于薄板、壳等结构尤为明显。同时，待减振结构与碰撞非线性消振装置之间的碰撞还会导致待减振结构加速度响应过大，极易造成结构破坏。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供在薄板、薄壳等结构的减振方面具有明显优势的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置。
10.本发明的目的是这样实现的：
11.本发明一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：包括封装外壳、上层质量、下层质量、上层弹簧、下层弹簧，封装外壳上端固定有封装盖板从而形成密闭空间，下层质量设置于密闭空间里，下层质量里设置上层质量，上层质量与下层质量之间设置上层弹簧，下层质量与封装外壳之间设置下层弹簧，封装外壳通过安装螺栓与待减振结构连接。
12.本发明还可以包括：
13.1、所述下层质量的中下部为实心结构，实心结构上方为空心结构，实心结构下方为下层弹簧槽，上层质量位于空心结构里，下层弹簧的顶端位于下层弹簧槽里，空心结构的顶部固定有碰撞盖板。
14.2、所述上层质量的底部设置上层弹簧槽，上层弹簧的顶端位于上层弹簧槽里。
15.3、下层质量与封装外壳之间固定有侧向弹簧。
16.4、侧向弹簧在静止状态时处于拉伸状态，下层质量运动过程中，侧向弹簧提供弹性非线性回复力。
17.5、静止时，碰撞盖板与上层质量之间存在间隙。
18.本发明的优势在于：
19.(1)利用碰撞和非线性动力学原理实现消除振动。考虑质量与薄板、薄壳等结构之间的碰撞会导致系统加速度响应的增加，不利于结构抗冲击，且质量之间的碰撞会导致薄板、薄壳等结构发生破坏。本发明装置利用下层-弹簧系统将能量从待减振结构中吸收，利用上层质量-弹簧系统与下层质量弹簧系统之间的碰撞将能量耗散。在迅速降低待减振结构动力学响应的同时，利用下层质量-弹簧系统有效隔离碰撞，避免了待减振结构与减振设备之间的直接碰撞，从而更适合在薄板、薄壳等结构减振领域的应用。
20.(2)碰撞能够迅速改变系统的运动状态，迅速耗散系统中的能量，并在较宽振动范围内有效，尤其对于大幅值的冲击、爆炸等具有显著结构响应控制的效果。因此，本发明能够高效耗散系统中能量的同时具有广泛的适用性。
21.(3)本发明装置结构简单、易于维护、系统参数易于调整和更改，在经济性和使用性具有明显的优势，具有良好的工程应用前景。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明的俯视图；
24.图3为本发明的爆炸图；
25.图4为本发明的典型应用示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
27.结合图1-4，本实施方式所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置包括：封装盖板1、固定螺栓2、碰撞盖板3、封装外壳4、上层质量5、侧向弹簧6、上层弹簧7、下层质量8、下层弹簧9和安装螺栓10。封装盖板1通过固定螺栓2与封装外壳4连接，形成密闭空间。碰撞盖板3通过固定螺栓2与下层质量8连接。上层质量5通过上层弹簧7与下层质量8连接。上层质量5与上层弹簧7构成的子系统在碰撞盖板3与下层质量8构成的封闭空间中运动。侧向弹簧6通过焊接等技术将下层质量8与封装外壳4连接。侧向弹簧6在整个装置静止状态时处于拉伸状态，且当下层质量8运动过程中提供弹性非线性回复力。下层质量8通过下层弹簧9与封装外壳4连接。封装外壳4通过安装螺栓10与待减振结构连接，完成整个装置的安装工作。
28.下面结合附图4说明本发明的工作原理，并对本发明减振过程进行详细说明。图中标号为11的结构是本发明装置，标号为12的结构是待减振结构。
29.本发明装置在工作过程中所产生的非线性回复力包括以下两部分：由下层质量8、下层弹簧9和侧向弹簧6构成子系统在运动过程中通过弹簧拉伸压缩产生的弹性非线性回复力；由上层质量5、下层质量8、碰撞盖板3和上层弹簧7构成子系统在运动过程中碰撞产生的碰撞非线性回复力。下面具体解释两种非线性回复力产生的过程。
30.(1)下层质量8的值为m2，下层弹簧9的刚度为k2，两个侧向弹簧6的刚度为k3，下层质量8由下层弹簧9支撑，且与水平放置的侧向弹簧6连接，由于两个水平放置的侧向弹簧6初始状态为被拉伸。在竖直方向上作用在下层质量8上的弹性非线性回复力f与其位移x之间的关系可以表示为如下形式：
[0031][0032]
其中，lo为侧向弹簧6的初始长度，l为它们在水平位置放置时的长度。
[0033]
若x≤0.2l，上式可以近似为：
[0034]
f＝k
l
x+kcx3[0035]
其中，k
l
＝2(lo/l+1)k2+k3，kc＝(lo/l3)k3。
[0036]
因此，该结构在运动过程中不仅能产生与位移x成比例的线性回复力，还能够产生与位移x的立方成正比的弹性非线性回复力。不同于线性系统，具有非线性刚度的非线性系统通常没有固有频率，因此可以与其连接的结构在宽频范围内产生动力学耦合，具有较宽频带的吸收能量的性能。本装置利用该子结构产生的弹性非线性回复力从待减振结构中吸收能量。
[0037]
(2)上层质量5的值为m1，上层弹簧7的刚度系数为k1，在实际结构中不可避免的存在阻尼，假设上层质量5与下层质量8之间的阻尼满足瑞利阻尼模型，且阻尼系数为c1，上层质量5与碰撞盖板3之间的间隙为b。当上层质量5与碰撞盖板3之间的相对位移等于碰撞间隙b时，上层质量5与碰撞盖板发生碰撞。由于碰撞盖板3与下层质量5通过固定螺栓2连接，因此上层质量5与碰撞盖板3之间的碰撞在理论上是上层质量5与下层质量8的碰撞。假设碰
撞满足赫兹接触模型，即上层质量5与下层质量8的碰撞时一瞬时发生的，碰撞前后只改变上层质量5与下层质量8的速度，且碰撞前后的速度满足其中rc为恢复系数。对于实际系统中发生的非弹性碰撞，恢复系数rc的取值范围为0＜rc＜1，也就意味着碰撞前后上层质量5与下层质量8的相对速度变小，碰撞会导致系统中动能减小，从而起到耗散系统中能量，降低结构动力学学响应的目的。通过合理设计碰撞盖板3的位置，即调整碰撞盖板3和上层质量5之间的碰撞间隙，可以实现在较宽的振动范围内耗散系统中能量的目的。
[0038]
本发明装置利用下层质量-非线性弹簧系统从待减振结构中吸收能量，并通过与上层质量弹簧系统发生碰撞将系统中的能量从待减振结构吸收并迅速耗散，进而抑制待减振结构动力学响应的目的。由于碰撞发生在本发明装置的内部，并不会导致待减振结构因碰撞引起的损伤，因此本发明装置在解决薄板、薄壳等结构的振动方面具有明显优势。

技术特征：
1.一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：包括封装外壳、上层质量、下层质量、上层弹簧、下层弹簧，封装外壳上端固定有封装盖板从而形成密闭空间，下层质量设置于密闭空间里，下层质量里设置上层质量，上层质量与下层质量之间设置上层弹簧，下层质量与封装外壳之间设置下层弹簧，封装外壳通过安装螺栓与待减振结构连接。2.根据权利要求1所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：所述下层质量的中下部为实心结构，实心结构上方为空心结构，实心结构下方为下层弹簧槽，上层质量位于空心结构里，下层弹簧的顶端位于下层弹簧槽里，空心结构的顶部固定有碰撞盖板。3.根据权利要求1所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：所述上层质量的底部设置上层弹簧槽，上层弹簧的顶端位于上层弹簧槽里。4.根据权利要求1所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：下层质量与封装外壳之间固定有侧向弹簧。5.根据权利要求4所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：侧向弹簧在静止状态时处于拉伸状态，下层质量运动过程中，侧向弹簧提供弹性非线性回复力。6.根据权利要求2所述的一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，其特征是：静止时，碰撞盖板与上层质量之间存在间隙。

技术总结
本发明的目的在于提供一种带有非线性刚度的碰撞消振装置，包括封装外壳、上层质量、下层质量、上层弹簧、下层弹簧，封装外壳上端固定有封装盖板从而形成密闭空间，下层质量设置于密闭空间里，下层质量里设置上层质量，上层质量与下层质量之间设置上层弹簧，下层质量与封装外壳之间设置下层弹簧，封装外壳通过安装螺栓与待减振结构连接。本发明能够迅速将能量从待减振结构中吸收并耗散，从而降低系统动力学响应。本发明装置具有结构简单、易于维护、系统参数易于调整和更改、适用范围广等优点，尤其在薄板、薄壳等结构的减振方面具有明显优势，具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。具有良好的工程应用前景。


技术研发人员：黎文科 杨铁军 李新辉 吴牧云
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8