[发明专利]一种吊杆减振的双环形强磁体阵列非线性动力吸振器及设计方法

权利要求书

1.一种吊杆减振的双环形强磁体阵列非线性动力吸振器，其特征在于，该双环形强磁体阵列非线性动力吸振器包括内磁环阵列(2)、外磁环阵列(3)、配重(4)、万向轮(5)和底座(6)；其中，当用于在役吊杆(1)时，内磁环阵列(2)由两个内环分体(7)拼接构成，每个内环分体(7)分别有设计数量的槽位，每个槽位放置一个内环磁瓦(8)，用螺栓将内环限位钢环(9)固定在对应的内环分体(7)上，在内环分体(7)内侧添加防滑垫圈，将内磁环阵列(2)固定在吊杆(1)的安装位置；外磁环阵列(3)与内磁环阵列(2)构造类似，每个外环磁瓦(16)放在设计好的槽位里并通过外环限位钢环(15)将其固定在外环分体一(17)和外环分体二(18)上，用螺栓将外磁环阵列(3)分别与配重(4)和万向轮(5)连接，配重(4)安装在外磁环阵列(3)的外围并与其固定在一起；配重(4)是由四个长方体质量块用螺栓拼接组成的方形体；底座(6)由两个相同的底座分体(21)拼接成，其内侧设有防滑垫圈，用螺栓将其固定于吊杆(1)的安装位置，用于支撑其上的外磁环阵列(3)、配重(4)和万向轮(5)；万向轮(5)与底座(6)直接接触，能任意方向转动，并通过与底座(6)之间的摩擦提供阻尼，其提供阻尼的大小通过改变万向轮(5)与底座(6)之间的摩擦系数来调节；通过摩擦提供的阻尼，或在内磁环阵列(2)和外磁环阵列(3)之间加装空气阻尼器耗散能量；配重(4)的尺寸、内环磁瓦(8)的尺寸和外环磁瓦(16)的尺寸根据待控制吊杆(1)的基本参数进行设计，内磁环阵列(2)和外磁环阵列(3)之间的磁力保证外磁环阵列(3)在运动过程中不与内磁环阵列(2)碰撞；双环形强磁体阵列非线性动力吸振器在吊杆(1)上的安装位置和数量根据待控吊杆(1)的动力特性及其减振需求进行设计，至少在中点位置安装一个。

2.一种吊杆减振的双环形强磁体阵列非线性动力吸振器设计方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，通过实地勘测或翻阅设计参数获得待控吊杆(1)的基本特性：含护套的外径和自振频率；

步骤二，确定待设计双环形强磁体阵列非线性动力吸振器的基本设计参数：

1)外磁环阵列(3)与配重(4)质量之和与吊杆(1)的模态质量之比：1％～5％，在此范围内质量比越大，减振效果越好，应根据吊杆(1)的减振需求确定；

2)吸振器阻尼比：吸振器设计阻尼比取相同质量比下最优调谐质量阻尼器的设计阻尼比；

3)吸振器的线性刚度和立方刚度：建立吊杆-吸振器系统的数值模型如式(1)：

其中，w(t)表示吊杆各个自由度对应的位移组成的向量，和分别对应其速度与加速度；M是吊杆的质量矩阵；C是吊杆的阻尼矩阵，采用Rayleigh阻尼；K是吊杆的刚度矩阵；F(t)是吊杆所受外荷载与吸振器对吊杆的反作用力之和；m、c、k₁、k₂分别表示吸振器的质量、阻尼、线性刚度和非线性刚度；v表示吸振器位移，分别表示其速度和加速度；吊杆一端为x轴的起始点，x是吊杆上点的x轴坐标，d是吸振器在x轴上的安装位置，δ(x-d)为狄拉克函数；

式(2)为参数优化目标函数，

其中，Δ、Δ_con分别表示吊杆上某点在相同的白噪声荷载作用下无控和有控时的位移或速度时程响应的均方根值、方差或其他减振效果评价指标，根据减振需求进行选取或建立；

根据TMD的最优线性刚度确定非线性吸振器的线性刚度和非线性刚度参数优化范围，通过调用多点白噪声荷载作用下吊杆-吸振器系统的数值模型计算吊杆的动力响应，通过自动寻优方式获得最优线性刚度和最优非线性刚度值；

4)内外磁环阵列几何参数：综合考虑吸振器成本和待控吊杆截面尺寸，确定内磁环阵列(2)和外磁环阵列(3)的磁瓦数量、磁瓦圆心角、磁瓦内径；建立双环形强磁阵列非线性动力吸振器系统的参数化电磁场数值模型，通过调整磁瓦的厚度和高度使内磁环阵列(2)和外磁环阵列(3)组成的内外磁环阵列组合体达到设计线性刚度值和设计立方刚度值；

5)吸振器配重(4)的几何参数：吸振器的总质量减去外磁环阵列(3)的质量，即为吸振器配重(4)的质量，进而根据配重块密度设计配重(4)分体的长、宽和高；

步骤三，根据步骤二得出的设计参数加工制作双环形强磁体阵列非线性动力吸振器；

步骤四，将制成的双环形强磁体阵列非线性动力吸振器在实验室吊杆上安装，使用测力计和尺子测量双环形强磁体阵列非线性动力吸振器的力-位移关系，确保其线性刚度和立方刚度为设计值；使其自由运动，测量其位移信号，使用自由振动衰减法等方法测定其阻尼比，并通过调整万向轮(5)与底座(6)之间的摩擦力或通过设置其他阻尼的方式调整阻尼比大小，使其达到或接近最优阻尼比。