本發(fā)明涉及阻尼減振領(lǐng)域，尤其涉及一種擺式變阻尼裝置及其減振配置方法。

背景技術(shù)：

1、調(diào)諧質(zhì)量阻尼裝置（tmd）是解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)、橋梁、高層建筑等大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題的有效實(shí)施方案之一。對(duì)于內(nèi)部安裝空間受限的被控結(jié)構(gòu)（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒）通常采用擺式質(zhì)量阻尼裝置，并采用電渦流阻尼進(jìn)行減振耗能、以避免傳統(tǒng)油阻尼耗能存在的機(jī)械摩擦及漏液?jiǎn)栴}。

2、但現(xiàn)有的擺式質(zhì)量阻尼裝置在被控結(jié)構(gòu)（如陸地或海上風(fēng)機(jī)塔筒等）內(nèi)部安裝空間有限時(shí)存在減振效果差、安全穩(wěn)定性差等問題。具體講：被控結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置空間小，在大風(fēng)、強(qiáng)震等突發(fā)或者極端荷載環(huán)境下，質(zhì)量塊經(jīng)常超出預(yù)先設(shè)定的量程與被控結(jié)構(gòu)或裝置限位部件相撞，其嚴(yán)重削弱了阻尼裝置的減振效果，且存在碰撞安全隱患，尤其是海上風(fēng)機(jī)受海洋環(huán)境影響運(yùn)動(dòng)響應(yīng)復(fù)雜時(shí)，質(zhì)量塊的行程極易超限、存在側(cè)向碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，目前暫無針對(duì)擺式阻尼裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的減振配置方法，使得擺式阻尼裝置在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種阻尼可調(diào)、安全可靠性高的擺式變阻尼裝置及其減振配置方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

3、一種擺式變阻尼裝置，包括質(zhì)量單元、擺臂單元和耗能單元，所述質(zhì)量單元通過所述擺臂單元與被控結(jié)構(gòu)擺動(dòng)連接，所述耗能單元包括永磁體組件和導(dǎo)體板，所述永磁體組件安裝于所述質(zhì)量單元，所述永磁體組件包括多個(gè)直徑不同、相互套接的環(huán)形永磁體；所述導(dǎo)體板安裝于所述被控結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)體板為中心至外緣曲率逐漸增大的內(nèi)凹曲面板，所述環(huán)形永磁體的中心與所述內(nèi)凹曲面板的中心相對(duì)布置。

4、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

5、所述擺臂單元包括剛性擺臂、設(shè)于剛性擺臂兩端的萬向節(jié)，以及與萬向節(jié)連接的轉(zhuǎn)盤，所述剛性擺臂的兩端依次通過所述萬向節(jié)和所述轉(zhuǎn)盤可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝于所述被控結(jié)構(gòu)或所述質(zhì)量單元；當(dāng)所述剛性擺臂設(shè)置為一個(gè)時(shí)，所述剛性擺臂設(shè)于所述質(zhì)量單元的中部；當(dāng)所述剛性擺臂至少為兩個(gè)時(shí)，所述剛性擺臂沿所述質(zhì)量單元的周向間隔布置。

6、所述擺臂單元通過一安裝傳力架與所述被控結(jié)構(gòu)擺動(dòng)連接，所述安裝傳力架包括依次連接的傳力頂板、連接件和傳力底板，所述擺臂單元位于所述安裝傳力架內(nèi)部、并可擺動(dòng)地安裝于所述傳力頂板；所述傳力底板設(shè)有與所述內(nèi)凹曲面板適配的曲面安裝槽，所述導(dǎo)體板安裝于所述曲面安裝槽內(nèi)。

7、所述環(huán)形永磁體的底面為平面，所述內(nèi)凹曲面板為球形曲面板，所述環(huán)形永磁體的圓心與所述球形曲面板的圓心在質(zhì)量單位未擺動(dòng)時(shí)位于同一豎直線上，所述環(huán)形永磁體隨所述質(zhì)量單元擺動(dòng)的擺動(dòng)范圍位于所述球形曲面板內(nèi)。

8、所述質(zhì)量單元包括質(zhì)量塊、質(zhì)量塊背板和永磁體背板，所述耗能單元還包括導(dǎo)體背板，所述質(zhì)量塊背板、所述質(zhì)量塊、所述永磁體背板和所述環(huán)形永磁體依次連接，所述擺臂單元與所述質(zhì)量塊背板連接，所述導(dǎo)體板通過所述導(dǎo)體背板與所述被控結(jié)構(gòu)連接。

9、各所述環(huán)形永磁體的圓形重合，各所述環(huán)形永磁體的磁極沿環(huán)形永磁體徑向交替布置，各所述環(huán)形永磁體包括兩個(gè)磁極不同的環(huán)形永磁塊，兩個(gè)所述環(huán)形永磁體疊加布置。

10、一種用于上述所述的擺式變阻尼裝置的減振配置方法，包括如下步驟：

11、步驟1）確定目標(biāo)擺式變阻尼裝置的配置參數(shù)，所述配置參數(shù)包括質(zhì)量單元的質(zhì)量、質(zhì)量單元的剛度、耗能單元的最優(yōu)阻尼比以及質(zhì)量單元的行程限值；

12、步驟2）根據(jù)所述質(zhì)量單元的質(zhì)量、質(zhì)量單元的剛度、耗能單元的最優(yōu)阻尼比以及質(zhì)量單元的行程限值計(jì)算出耗能單元的初始阻尼常數(shù)的最優(yōu)值；

13、步驟3）按照當(dāng)前的配置參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)擺式變阻尼裝置有限元模型，并將耗能單元中導(dǎo)體板弧度設(shè)置為0，通過有限元仿真模擬使得耗能單元產(chǎn)生的初始阻尼常數(shù)等于或趨近于所述初始阻尼常數(shù)?的最優(yōu)值，確定得到耗能單元的永磁體組件中最優(yōu)的環(huán)形永磁體數(shù)量和間隔間距、以及環(huán)形永磁體與導(dǎo)體板的最小間距；

14、步驟4）不斷調(diào)整目標(biāo)擺式變阻尼裝置有限元模型中導(dǎo)體板曲面弧度，以使得耗能單元產(chǎn)生的阻尼力等于或趨近于耗能單元產(chǎn)生的理論阻尼力?，確定得到最優(yōu)導(dǎo)體板曲面弧度，所述理論阻尼力根據(jù)耗能單元的變阻尼系數(shù)?確定得到，所述變阻尼系數(shù)根據(jù)所述初始阻尼常數(shù)??的最優(yōu)值確定得到。

15、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

16、在步驟2）中，先根據(jù)被控結(jié)構(gòu)的振幅、安裝空間確定系數(shù)? p?，然后根據(jù)系數(shù)? p?以及質(zhì)量單元的質(zhì)量?、質(zhì)量單元的剛度?、耗能單元的最優(yōu)阻尼比以及質(zhì)量單元的行程限值按照下式計(jì)算得到耗能單元的初始阻尼常數(shù)的最優(yōu)值：

17、，

18、，

19、其中，為（0,1]范圍內(nèi)的預(yù)設(shè)系數(shù)，為質(zhì)量單元的質(zhì)量與被控結(jié)構(gòu)目標(biāo)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量之間的比值，為被控結(jié)構(gòu)目標(biāo)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量。

20、在步驟4）中，按照下式確定耗能單元產(chǎn)生的理論阻尼力:

21、，

22、，

23、其中，為質(zhì)量單元的擺動(dòng)幅值。

24、在步驟1）中，所述質(zhì)量單元的剛度根據(jù)質(zhì)量單元的質(zhì)量以及質(zhì)量單元的振動(dòng)頻率計(jì)算得到，其中質(zhì)量單元的振動(dòng)頻率根據(jù)被控結(jié)構(gòu)目標(biāo)模態(tài)的頻率以及質(zhì)量單元的質(zhì)量與被控結(jié)構(gòu)目標(biāo)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量的比值計(jì)算得到，計(jì)算表達(dá)式為：

25、，

26、其中，為被控結(jié)構(gòu)目標(biāo)模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

28、（1）本發(fā)明的導(dǎo)體板采用中心至外緣曲率逐漸增大的內(nèi)凹曲面板，環(huán)形永磁體的中心與所述內(nèi)凹曲面板的中心相對(duì)布置，其使得導(dǎo)體板與永磁體組件的間隙由中心至邊緣連續(xù)減小。此時(shí)，耗能單元產(chǎn)生的阻尼力與導(dǎo)體板和永磁體組件之間的間隙成反比，即當(dāng)質(zhì)量塊擺幅增大大時(shí)，導(dǎo)體板與永磁體組件間隙變小，耗能單元的阻尼系數(shù)和產(chǎn)生的阻尼力變大；反之，當(dāng)質(zhì)量單元的擺幅變小時(shí)，導(dǎo)體板與永磁體組件間隙變大，耗能單元的阻尼系數(shù)和產(chǎn)生的阻尼力變小，從而實(shí)現(xiàn)耗能單元的阻尼系數(shù)隨質(zhì)量單元振幅連續(xù)變化的功能。

29、可見，本發(fā)明的擺式變阻尼裝置在被控結(jié)構(gòu)不同振動(dòng)位移時(shí)可通過改變永磁體組件與導(dǎo)體板之間的間隙實(shí)現(xiàn)了變阻尼耗能，從而保證了阻尼裝置在不同振動(dòng)位移時(shí)均具有優(yōu)良的減振效果；同時(shí)，變阻尼耗能有效限制了質(zhì)量單元的擺動(dòng)行程，避免了質(zhì)量單元行程超限、與被控結(jié)構(gòu)或裝置限位部件碰撞的發(fā)生。本發(fā)明在保證變阻尼裝置安全可靠運(yùn)行的同時(shí)，可有效適用于空間受限被控結(jié)構(gòu)（如風(fēng)機(jī)塔筒）的振動(dòng)控制。

30、（2）永磁體組件包括多個(gè)環(huán)形永磁體，多個(gè)環(huán)形永磁體的直徑不同、且相互套接，其使得耗能單元在質(zhì)量單元各個(gè)擺動(dòng)方向的磁場(chǎng)切割一致，此時(shí)，耗能單元提供質(zhì)量單元在同一擺幅、沿各個(gè)振動(dòng)方向完全相同的阻尼系數(shù)，從而使得擺式變阻尼裝置在質(zhì)量單元同一振動(dòng)幅度時(shí)提供的阻尼力相同，其最大程度地提高了擺式變阻尼裝置的減振控制效果。同時(shí)，環(huán)形永磁體使得被控結(jié)構(gòu)在同一振幅時(shí)限制的擺動(dòng)行程相同，保證擺式變阻尼裝置在各個(gè)振動(dòng)方向均能避免超限碰撞，其進(jìn)一步保證了擺式變阻尼裝置的安全可靠運(yùn)行。

31、（3）本發(fā)明的方法先根據(jù)各單元的配置參數(shù)確定耗能單元的初始阻尼常數(shù)的最優(yōu)值，結(jié)合有限元仿真方法在導(dǎo)體板弧度為0的情況下對(duì)目標(biāo)擺式變阻尼裝置進(jìn)行模擬，依據(jù)耗能單元的初始阻尼常數(shù)的最優(yōu)值確定出最優(yōu)的環(huán)形永磁體數(shù)量和間隔間距、以及環(huán)形永磁體與導(dǎo)體板的最小間距，然后依據(jù)變阻尼系數(shù)確定出的理論尼力不斷調(diào)整模型中導(dǎo)體板曲面弧度，確定出最優(yōu)導(dǎo)體板曲面弧度，能夠匹配擺式變阻尼裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化配置，使得可以最大限度地提高裝置的阻尼減振效果。