非線性彈簧能量采集裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非線性彈簧能量采集裝置，包括懸臂梁、接觸面、質量塊和固定螺栓。接觸面為具有一定變曲率的曲面，上下方向對稱布置，該曲面的曲率沿著長度方向逐漸變化，懸臂梁根部的截面曲率為無窮大并沿其長度逐漸減小。懸臂梁位于上下兩個接觸面中間，在端部質量塊等效荷載作用下會產(chǎn)生彎曲變形，之后懸臂梁與曲面就會立即接觸，導致端部位移和荷載呈現(xiàn)非線性關系，產(chǎn)生非線性恢復力。同時變曲率接觸面也提高了該非線性彈簧能量采集裝置對不同激勵譜的適應性和魯棒性。
【專利說明】
非線性彈簧能量采集裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種非線性彈簧能量采集裝置，通過懸臂梁與接觸曲面接觸，端部位移和質量塊等效荷載為非線性關系，產(chǎn)生非線性恢復力，類似于非線性彈簧能量采集裝置，從而很好地將能量從主體結構的一個部件轉移到另一個附加部件，屬于土木結構(包括高層建筑、高聳結構和橋梁結構等)振動控制領域。
【背景技術】
[0002]采用一些技術手段可以將能量從結構的一個部件轉移到另一個部件，例如從環(huán)境振動的能量采集，從外部荷載的能量采集和被動控制或力學不穩(wěn)定性的抑制。尤其，能量采集是一個將周圍環(huán)境中的能量轉換為其他形式的能量(如電能)的過程。在周圍環(huán)境中的能量往往具有分布在比較寬的頻率范圍。在人體中移植的用來監(jiān)測微生物信號的傳感器也采用能量收集裝置。沖擊吸收是保護承受外部作用的主結構的過程。它主要被應用于被動保護地震作用下的建筑或者受水沖擊的海上平臺。力學不穩(wěn)定的被動控制在能量傳遞方面也有重要的應用。這樣的例子包括橋梁的氣彈性力不穩(wěn)定性的抑制以及機翼氣彈性力不穩(wěn)定性的抑制。在上述的所有方法中，最終的目的就是如何設計原件，使其能夠高效同時不可逆地轉換能量。在一些典型的應用中(尤其是能量采集)，周圍環(huán)境中的振動主要可以用一個隨機的、多頻率的信號來描述，這種信號同時具有隨時間變化的特征。然而傳統(tǒng)的單自由線性振動采集裝置只在當外部激勵的頻率與它們自振頻率接近時才比較有效。因此，線性采集裝置對這種具有不確定性的信號的效果不大。為了能夠有效地吸收周圍環(huán)境的振動，較強的魯棒性對能量收集裝置至關重要。
[0003]克服激勵失諧的問題方法包含在設計系統(tǒng)中，這個設計系統(tǒng)不采用單個彈簧、線性彈簧系統(tǒng)、兩自由度線性系統(tǒng)、線性連續(xù)系統(tǒng)以及非線性彈簧的控制理論。該振蕩時沒有彈簧貢獻的設備不具備共振頻率，反應的頻率也與加速度信號頻率相一致。具有線性彈簧的能量采集系統(tǒng)的性能(即峰值功率輸出，適應性和耐用性，以不同的激勵)可以通過使用控制策略來改變振蕩的諧振頻率得到改善，或者創(chuàng)造出一個具有兩個及其以上自由度的線性系統(tǒng)來改善這一性能。然而這些裝置的缺點是里面的控制裝置要消耗采集的能量以及多自由度系統(tǒng)的體積大并且具有有限的穩(wěn)定性的特點。采用非線性彈簧是另外一種方法。事實上這種本質上的非線性彈簧不具有卓越的線性頻率。因此他們對外部的激勵具有更好的魯棒性，同時對更廣泛的情況具有較好的適用性。三次多項式是這種非線性彈簧的最簡單形式，采用三次方彈簧是通過在各種角度來支承校核質量的線性彈簧來實施的，這種設計的有效性已經(jīng)通過對沖擊激勵的能量采集的應用得到證明。另一種來實現(xiàn)非線性行為的方式是采用多元線性組件，這些組件相互作用在變形時將得到增強。例如，在汽車的板簧中，幾層弧形的彈簧被夾在一起。當上弧的中心變形時，它就會接觸下面的弧，同時兩個彈簧由于接觸將發(fā)生進一步的變形?；⌒伟遄冃卧酱?，彈簧變得越剛。非線性彈簧的另一種不同類型是那些具有負線性剛度的彈簧，通常具有雙穩(wěn)態(tài)構形特點。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種非線性彈簧能量采集裝置，以實現(xiàn)提高能量采集裝置魯棒性這一目標，通過利用力學非線性，使得目標能量在模態(tài)之間的轉移得到實現(xiàn)。為了實現(xiàn)所期望的非線性，本發(fā)明在于使用在兩個特定曲率的接觸表面之間振蕩的一個懸臂梁。對于能量收集的目的，這種所提出的設計在解析，數(shù)值和實驗方面具有許多期望的性能。這些性能包括:(I)所得到的非線性彈簧具有可忽略的線性元件(2)它的非線性的階次不再保持常數(shù)，而是隨著振幅增加而增加(3)彈簧實現(xiàn)了有限的位移得到理論上無限大的力。最后一個性質是至關重要的，因為它允許裝置對于適度振幅作為一個典型的非線性彈簧和對于較大振幅可以有效地表現(xiàn)為一個碰撞振動彈簧。最終利用懸臂梁在上下兩個接觸曲面之間振蕩接觸產(chǎn)生的非線性行為進行能量傳遞。本發(fā)明構造簡單、能量傳遞效果好。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術方案。
[0006]本發(fā)明提出的一種非線性彈簧能量采集裝置，包括懸臂梁1、接觸面2、質量塊3和固定螺栓4，其中:所述接觸面2由長方形和變曲率的曲面連成一體，兩個接觸面2上下對稱布置，且兩個接觸面2的變曲率的曲面相對布置;所述懸臂梁I為一鋼板條，懸臂梁I的端部固定有質量塊3，根部固定于兩個接觸面2的長方形之間，所述兩個接觸面2通過固定螺栓4固定于結構構件上；當結構構件振動時就會帶動懸臂梁的端部質量塊上下振蕩，產(chǎn)生彎曲變形，之后立即與接觸面的曲面產(chǎn)生接觸，懸臂梁I的端部變形和端部施加的等效外荷載就會呈現(xiàn)非線性關系，產(chǎn)生非線性恢復力，類似于一種非線性彈簧能量采集裝置;同時接觸面的曲面上下對稱布置，當質量塊振蕩方向朝上時，懸臂梁與位于上方的接觸面的曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力，當質量塊振蕩方向朝下時，懸臂梁與位于下方的接觸面的曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力。
[0007]本發(fā)明中，所述接觸面2的曲面部分的曲率沿著長度方向逐漸變化，靠近懸臂梁根部處的接觸面2的截面曲率為無窮大并沿其長度逐漸減小，也即接觸面的曲面空間函數(shù)的二階導數(shù)在懸臂梁I的根部等于零，同時沿著懸臂梁長逐步增大。
[0008]本發(fā)明中，所述懸臂梁I不與接觸面2的曲面接觸時，端部位移和外荷載為線性關系，類似于線性彈簧;所述懸臂梁I與接觸面2的曲面接觸時，端部位移和外荷載為非線性關系，類似于非線性彈簧。
[0009]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下:
I)本發(fā)明中采用的接觸面的根部的截面曲率為無窮大并沿其長度逐漸減小。當結構構件振動時就會帶動懸臂梁端部質量塊上下振蕩，產(chǎn)生彎曲變形，之后立即與曲面產(chǎn)生接觸，產(chǎn)生非線性恢復力。這種非線性的階次隨著位移的增加而增加，當達到臨界有限位移時，這個性質將導致彈簧力在理論上趨于無窮大，從而起到保護極端荷載下彈簧的作用。同時變曲率接觸面也提高了該非線性彈簧能量采集裝置對不同激勵譜的適應性和魯棒性。
[0010]2)本發(fā)明中采用的接觸面上下對稱布置，這樣當質量塊振蕩方向朝上時懸臂梁與上曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力，當質量塊振蕩方向朝下時懸臂梁與下曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力。這種非線性機制具有良好的力學性能以及能夠抵抗極高的荷載的魯棒性，可以很好地進行能量傳遞。
[0011]3)本發(fā)明構造形式簡單，可以根據(jù)基本結構的特點使該非線性彈簧能量采集裝置布置位置更為靈活，適用于不同部位的能量采集。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明非線性彈簧能量采集裝置正立面圖；
圖中標號:I為懸臂梁、2為接觸面、3為質量塊、4為固定螺栓。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0014]實施例1:如圖1所示，為本發(fā)明的一種非線性彈簧能量采集裝置實施實例，其主要包括懸臂梁1、接觸面2、質量塊3和固定螺栓4。
[0015]該能量采集裝置通過固定螺栓4固定在結構構件上，懸臂梁I為一鋼板條，懸臂梁I端部固定有質量塊3，懸臂梁I根部一段距離與上下接觸面固接在一起避免產(chǎn)生摩擦滑動。懸臂梁I其余長度部分與上下接觸面分離。當端部質量塊上下震蕩時可以在上下接觸曲面之間產(chǎn)生彎曲變形，同時與上下曲面接觸。接觸面2上下對稱布置，該曲面的曲率沿著長度方向逐漸變化，懸臂梁根部的截面曲率為無窮大并沿其長度逐漸減小，也即曲面空間函數(shù)的二階導數(shù)在懸臂梁的根部等于零，同時沿著梁長逐步增大。當結構構件振動時就會帶動懸臂梁端部質量塊上下振蕩，產(chǎn)生彎曲變形，之后立即與曲面產(chǎn)生接觸，這樣懸臂梁與接觸曲面就會產(chǎn)生非線性恢復力，類似于一種非線性彈簧裝置。同時接觸曲面上下對稱布置，這樣當質量塊振蕩方向朝上時懸臂梁與上曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力，當質量塊振蕩方向朝下時懸臂梁與下曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力。這種非線性機制具有良好的力學性能以及能夠抵抗極高的荷載的魯棒性，可以很好地進行能量傳遞。
【主權項】
1.一種非線性彈簧能量采集裝置，包括懸臂梁(I)、接觸面(2)、質量塊(3)和固定螺栓(4)，其特征在于:所述接觸面(2)由長方形和變曲率的曲面連成一體，兩個接觸面(2)上下對稱布置，且兩個接觸面(2)的變曲率的曲面相對布置;所述懸臂梁(I)為一鋼板條，懸臂梁(1)的端部固定有質量塊(3)，根部固定于兩個接觸面(2)的長方形之間，所述兩個接觸面(2)通過固定螺栓(4)固定于結構構件上；當結構構件振動時就會帶動懸臂梁的端部質量塊上下振蕩，產(chǎn)生彎曲變形，之后立即與接觸面的曲面產(chǎn)生接觸，懸臂梁(I)的端部變形和端部施加的等效外荷載就會呈現(xiàn)非線性關系，產(chǎn)生非線性恢復力，類似于一種非線性彈簧能量采集裝置;同時接觸面的曲面上下對稱布置，當質量塊振蕩方向朝上時，懸臂梁與位于上方的接觸面的曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力，當質量塊振蕩方向朝下時，懸臂梁與位于下方的接觸面的曲面接觸產(chǎn)生非線性恢復力。2.根據(jù)權利要求1所述的非線性彈簧能量采集裝置，其特征在于:所述接觸面(2)的曲面部分的曲率沿著長度方向逐漸變化，靠近懸臂梁根部處的接觸面(2)的截面曲率為無窮大并沿其長度逐漸減小，也即接觸面的曲面空間函數(shù)的二階導數(shù)在懸臂梁(I)的根部等于零，同時沿著懸臂梁長逐步增大。3.根據(jù)權利要求1所述的非線性彈簧能量采集裝置，其特征在于:所述懸臂梁(I)不與接觸面(2)的曲面接觸時，端部位移和外荷載為線性關系，類似于線性彈簧;所述懸臂梁(I)與接觸面(2)的曲面接觸時，端部位移和外荷載為非線性關系，類似于非線性彈簧。
【文檔編號】E04H9/02GK105863095SQ201610249384
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】魯正, 李坤, 張澤楠
【申請人】同濟大學