本發(fā)明涉及土木工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及自變頻方法。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今社會，振動引起的結(jié)構(gòu)安全和舒適度問題日益引起人們的重視。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器因為有對原建筑結(jié)構(gòu)改動小、減振效果明顯等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注，并在國內(nèi)外的建筑結(jié)構(gòu)中都有許多應(yīng)用，如臺北101大廈、上海中心等。

傳統(tǒng)的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具有對頻率調(diào)諧敏感的缺點，不僅建筑結(jié)構(gòu)的自身損傷等會影響調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的減振效果，其自身的特性，如粘滯阻尼器的退化、彈簧的銹蝕或當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的某一構(gòu)件作為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的質(zhì)量時質(zhì)量的變化也會影響其控制效果。同時，設(shè)計時結(jié)構(gòu)的自振頻率估計值與其實際自振頻率可能存在差異。因此，如何實現(xiàn)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的自適應(yīng)控制，使其能實時調(diào)節(jié)自身頻率與結(jié)構(gòu)的頻率相近，以達到良好的減振效果，是一個新的很有意義的研究方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種質(zhì)量可調(diào)節(jié)、能耗小、結(jié)構(gòu)簡化、無需外部能源、避免摩擦、減震效果好的自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器及自變頻方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種電渦流自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，設(shè)置在建筑主結(jié)構(gòu)上，通過調(diào)諧頻率實現(xiàn)減振，該阻尼器包括阻尼器本體以及質(zhì)量調(diào)節(jié)組件，所述的阻尼器本體包括彈簧、與彈簧上端連接的固定質(zhì)量塊、與彈簧下端連接的供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊以及設(shè)置在彈簧內(nèi)部的永磁體棒，所述的永磁體棒上端分別依次穿過固定質(zhì)量塊和可變質(zhì)量塊中央的永磁體棒槽道并通過螺母固定，下端伸入到開設(shè)于供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊中心的電磁槽內(nèi)，并且與設(shè)置在電磁槽內(nèi)的導(dǎo)體板相對感應(yīng)設(shè)置，所述的質(zhì)量調(diào)節(jié)組件包括單片機、設(shè)置在可變質(zhì)量塊頂部的第一加速度傳感器、設(shè)置在主結(jié)構(gòu)上的第二加速度傳感器以及分別與固定質(zhì)量塊和供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊連接的質(zhì)量驅(qū)動單元，所述的第一加速度傳感器、第二加速度傳感器和質(zhì)量驅(qū)動單元分別與單片機通信。

所述的單片機為STC、PIC或ATMEL單片機。

所述的質(zhì)量調(diào)節(jié)組件還包括分別與單片機連接的供電電源，所述的供電電源為電池或220V直流電源。

所述的單片機上還設(shè)有開關(guān)和USB接口。

所述的質(zhì)量驅(qū)動單元包括電磁閥和砂石泵。

一種自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的自變頻方法，包括以下步驟：

1)通過第一加速度傳感器和第二加速度傳感器分別實時獲取阻尼器本體的加速度值s₁(τ)和主結(jié)構(gòu)的加速度值s₂(τ)，并獲取對應(yīng)的傅里葉頻譜，即：

其中，S_t1(w)為阻尼器本體的傅里葉頻譜，S_t2(w)為主結(jié)構(gòu)的傅里葉頻譜，w為積分變量，τ為瞬時時刻，h(τ-t)為窗函數(shù)；

2)在每段設(shè)定的時間間隔t內(nèi)，根據(jù)加速度值和傅里葉頻譜獲取阻尼器本體的計算頻率w_t1和主結(jié)構(gòu)的計算頻率w_t2：

3)分別判斷每段時間間隔內(nèi)的阻尼器本體的計算頻率w_t1和主結(jié)構(gòu)的計算頻率w_t2的結(jié)果是否有效，若有效，記錄對應(yīng)的計算頻率值并計數(shù)，并進行步驟4)，若無效，則舍去，并返回步驟2)；

4)當(dāng)阻尼器本體的計算頻率w_t1和主結(jié)構(gòu)的計算頻率w_t2的有效結(jié)果計數(shù)分別達到設(shè)定的計數(shù)閾值n時，計算可變質(zhì)量塊中需要調(diào)整的質(zhì)量值Δm；

5)質(zhì)量驅(qū)動單元根據(jù)需要調(diào)整的質(zhì)量值Δm，加入或抽出相應(yīng)的質(zhì)量，調(diào)整可變質(zhì)量塊的質(zhì)量，完成阻尼器頻率的調(diào)節(jié)。

所述的步驟3)中，判斷計算頻率是否有效的方法為：

設(shè)定頻率有效閾值w₀和有效范圍(0.8w₀,1.2w₀)，若阻尼器本體的計算頻率w_t1和主結(jié)構(gòu)的計算頻率w_t2值處于有效范圍內(nèi)，則判定該次計算的計算頻率值有效。

需要調(diào)整的質(zhì)量值Δm計算式為：

Δw＝w₁-w₂

其中，k為剛度值，Δw為頻率差值，w₁、w₂分別為阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的有效計算頻率平均值，w_t1i、w_t2i分別為阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的第i次有效的計算頻率。

當(dāng)頻率差值Δw為正數(shù)時，則啟動質(zhì)量驅(qū)動單元向可變質(zhì)量塊中加入Δm的質(zhì)量，當(dāng)頻率差值Δw為負數(shù)時，則啟動質(zhì)量驅(qū)動單元從可變質(zhì)量塊中抽出Δm的質(zhì)量。

窗函數(shù)為矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗或高斯窗。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

一、質(zhì)量可調(diào)節(jié)、能耗?。罕景l(fā)明的電渦流自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，可變質(zhì)量塊和供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的質(zhì)量可通過伺服控制組件進行精確調(diào)節(jié)，且無須實時調(diào)節(jié)，僅在選定時段進行即可，所需供電量小，能夠精確調(diào)節(jié)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器頻率與主結(jié)構(gòu)頻率相同。

二、結(jié)構(gòu)簡化、無需外部能源：本發(fā)明能簡化結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震的分析設(shè)計，采用永磁體棒-導(dǎo)體板的阻尼裝置提供阻尼力，改善了傳統(tǒng)黏滯阻尼器的缺陷，又無需外界提供能源。

三、避免摩擦、減震效果好：永磁體棒與導(dǎo)體板之間存在一定的間隔，無摩擦阻尼和磨損，實現(xiàn)剛度與阻尼的分離，耐久性好，達到良好的減振效果，同時又具有安裝簡單、操作便捷的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為電渦流自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2為電渦流自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖3為圖2中A-A剖面圖。

圖4為質(zhì)量調(diào)節(jié)組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的方法流程圖。

其中，1、可變質(zhì)量塊，2、固定質(zhì)量塊，3、彈簧，4、永磁體棒，5、永磁體棒槽道，6、單片機，7、質(zhì)量驅(qū)動單元，71、第一驅(qū)動器，72、第二驅(qū)動器，8、第一加速度傳感器，9、第二加速度傳感器，10、供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊，11、導(dǎo)體板，12、螺母，13、質(zhì)量調(diào)節(jié)組件，14、電磁槽，15、主結(jié)構(gòu)，16、供電電源，17、開關(guān)，18、USB傳感器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例：

如圖1-3所示，本發(fā)明提供一種自變頻調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，該阻尼器由固定質(zhì)量塊2、可變質(zhì)量塊1、永磁體棒4、電磁槽14、導(dǎo)體板11、彈簧3、供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊10及質(zhì)量調(diào)節(jié)組件13組成，其中：

彈簧3的底端與供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊10的頂部相連接，彈簧3的頂端與固定質(zhì)量塊2的底部相連接，可變質(zhì)量塊1固定設(shè)置于固定質(zhì)量塊2的頂部，可變質(zhì)量塊1和固定質(zhì)量塊2的中心均開有永磁體棒槽道5。

電磁槽14位于供調(diào)節(jié)質(zhì)量塊10的頂面中心處，永磁體棒4的上端用螺母12固定于可變質(zhì)量塊1的頂部，穿過永磁體棒槽道5后，下端插入電磁槽14內(nèi)，可變質(zhì)量塊1與固定質(zhì)量塊2發(fā)生豎向振動時，永磁體棒4與設(shè)置于電磁槽14內(nèi)的導(dǎo)體板11感應(yīng)產(chǎn)生電渦流，通過導(dǎo)體板11發(fā)熱耗能。

如圖4所示，本發(fā)明的質(zhì)量調(diào)節(jié)組件13包括第一加速度傳感器8、第二加速度傳感器9、單片機6、供電電源16、質(zhì)量驅(qū)動單元7(包括第一驅(qū)動器71、第二驅(qū)動器72)、開關(guān)17和USB接口18。

單片機6內(nèi)置的自變頻方法可于PC機上編譯完成，由USB接口18燒錄入單片機6。

如圖5所示，本發(fā)明的自變頻方法可根據(jù)第一加速度傳感器8和第二加速度傳感器9的信號精確識別出主結(jié)構(gòu)和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的頻率，然后啟動第一驅(qū)動器71或第二驅(qū)動器72來實現(xiàn)一次性調(diào)節(jié)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器自身頻率與主結(jié)構(gòu)頻率相同，自變頻方法可控制的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器參數(shù)有擺長、質(zhì)量和剛度等。

自變頻方法具體包括以下步驟：

1)設(shè)置每段計算時間的時間間隔t、限定值w₀、有效結(jié)果總數(shù)n和剛度值k。

2)根據(jù)需求選取窗函數(shù)，可為矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗或者高斯窗等，記為h(τ)。τ為瞬時時刻。

3)第一加速度傳感器和第二加速度傳感器分別實時獲取阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的加速度值，分別記為s₁(τ)和s₂(τ)。

4)每段時間內(nèi)，阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的傅里葉頻譜分別為：

5)每段時間內(nèi)，阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的計算頻率分別為：

6)判斷每次計算所得的w_t1和w_t2，若滿足位于區(qū)間(0.8w₀,1.2w₀)，則本次計算結(jié)果有效；若不滿足，則舍去本次計算結(jié)果。w_t1和w_t2是否滿足要求為相互獨立事件。

7)循環(huán)上述步驟3)至6)，若w_t1的有效計算結(jié)果總數(shù)達到i，則停止計算w_t1；若w_t2的有效計算結(jié)果總數(shù)達到n，則停止計算w_t1。當(dāng)w_t1和w_t2的有效計算結(jié)果總數(shù)均達到i時，循環(huán)終止。

8)阻尼器本體和主結(jié)構(gòu)的頻率由相應(yīng)的有效計算結(jié)果疊加后求平均值確定：

9)計算頻率差值Δw＝w₁-w₂和調(diào)整質(zhì)量值

10)若頻率差值Δw為正數(shù)，則啟動質(zhì)量驅(qū)動單元7往可變質(zhì)量塊1中加入Δm的質(zhì)量；若頻率差值Δw為負數(shù)，則啟動質(zhì)量驅(qū)動單元7從可變質(zhì)量塊1中抽出Δm的質(zhì)量。

本發(fā)明的自變頻方法是基于傅里葉變換完成的，可為快速傅里葉變換或者短時傅里葉變換等。

質(zhì)量調(diào)節(jié)組件13并不是實時啟動，而是在需要進行調(diào)節(jié)的時段啟動。

這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。