專利名稱：阻尼力智能可控的粘彈性阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別是涉及一種基于流變智能材料，制作成剛度和阻尼均智能可控的器件，將其安裝在工程結(jié)構(gòu)上來抵抗強風(fēng)、地震等動力作用。
背景技術(shù)：
粘彈性阻尼器能給結(jié)構(gòu)提供剛度和阻尼，其性能可靠、構(gòu)造簡單、耗能能力強，從美國紐約世貿(mào)大廈安裝上萬個粘彈性阻尼器來抵御強風(fēng)作用到現(xiàn)在，粘彈性阻尼器已經(jīng)在許多建筑、橋梁和大跨結(jié)構(gòu)中得到運用。不過，粘彈性阻尼器也有其致命的弱點，那就是粘彈性材料是溫度敏感材料，隨著溫度的升高，材料的儲能模量發(fā)生幾個數(shù)量級的急劇下降， 損耗因子也下降迅速，這嚴(yán)重降低了粘彈性阻尼器的耗能能力和應(yīng)用范圍。因此，如何解決粘彈性阻尼器的溫度敏感問題是十分必要的。為此，本發(fā)明將智能材料來代替粘彈性材料，或者將智能材料灌入普通粘彈性材料中，利用智能材料的流變效應(yīng)來彌補普通粘彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，使得粘彈性材料因溫度升高而減少的儲能模量可以通過增加外部磁場加以補償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種剛度和阻尼都智能可控的粘彈性阻尼器，該阻尼器能夠隨著結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)來調(diào)節(jié)阻尼力，并且可以通過增大電流來補償由于溫度升高而降低的儲能模量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的是一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)剪切剛度和阻尼的粘彈性阻尼器，該阻尼器主要由磁組件、控制器和傳感器組成，其中磁組件形成了完整的閉合磁回路，由線圈來提供磁能輸入，通過改變線圈中的電流來改變磁回路中的磁感應(yīng)強度大??；控制器通過數(shù)據(jù)線分別與傳感器、磁組件的線圈繞組相連。所述磁組件可由與插銷連接板相連的導(dǎo)磁鋼板、導(dǎo)磁阻尼層、導(dǎo)磁體、線圈繞組， 以及不與插銷連接板相連的的具有導(dǎo)磁作用的獨立鋼板組成。所述導(dǎo)磁鋼板、獨立鋼板和導(dǎo)磁阻尼層交替疊放在一起，線圈繞組繞在導(dǎo)磁鋼板上。所述導(dǎo)磁阻尼層可以采用兩層以上結(jié)構(gòu)。所述導(dǎo)磁阻尼層可以由磁流變彈性體組成。所述導(dǎo)磁阻尼層可以由以下結(jié)構(gòu)組成在普通粘彈性材料或者磁流變彈性體材料中挖孔，然后灌入電流和/或磁流變液、羰基鐵粉粒子和純鐵粒子。所述導(dǎo)磁鋼板和插銷連接板一起運動，讓導(dǎo)磁阻尼層產(chǎn)生相對位移；在獨立鋼板的四周纏繞線圈繞組，以增加導(dǎo)磁阻尼層中的磁感應(yīng)強度，從而增加所述阻尼器中的最大阻尼力。所述導(dǎo)磁鋼板、獨立鋼板及導(dǎo)磁體可以采用硅鋼、磁性合金、低碳鋼或純鐵制成，或采用硅鋼片疊層制成。所述導(dǎo)磁鋼板與導(dǎo)磁體可以通過一次性鑄造工藝形成一個整體，以方便本發(fā)明所述粘彈性阻尼器的加工。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要的優(yōu)點
其一.本阻尼器創(chuàng)新地將磁流變彈性體替換了普通粘彈性阻尼器中的粘彈性材料形成智能材料導(dǎo)磁阻尼層，并且增加了傳感器和控制器。阻尼器可以通過控制器改變線圈繞組的電流來改變磁路中的磁感應(yīng)強度；變化的磁感應(yīng)強度垂直通過磁流變彈性體智能材料時，可以改變材料的儲能模量和損耗因子，從而能夠根據(jù)外部響應(yīng)自適應(yīng)改變阻尼器的阻尼力大小。其二 .本阻尼器創(chuàng)新地在普通粘彈性材料阻尼層中挖孔，往孔中灌入磁流變液或者羰基鐵粉粒子或者純鐵粒子形成智能材料導(dǎo)磁阻尼層，然后將阻尼層與鋼板固結(jié)在一起形成閉合導(dǎo)磁回路，這樣就可以通過改變電流來改變磁路中的磁感應(yīng)強度，從而改變阻尼器的阻尼力了。其三.對于普通粘彈性阻尼器，粘彈性材料的溫度軟化效應(yīng)嚴(yán)重影響了其應(yīng)用范圍。而采用上述兩種方法制作的智能可調(diào)阻尼器完全可以通過改變電流來彌補普通粘彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，粘彈性材料因溫度升高而減少的儲能模量可以通過增加外部磁場來加以補償，是結(jié)構(gòu)振動控制中的一種新技術(shù)?？傊?，本發(fā)明利用導(dǎo)磁阻尼層的流變效應(yīng)來彌補普通粘彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，使得粘彈性材料因溫度升高而減少的儲能模量可以通過增加外部磁場加以補償。與傳統(tǒng)的粘彈性阻尼器比較，本阻尼器可以根據(jù)需要智能控制阻尼力的大小。根據(jù)我們的有限元計算發(fā)現(xiàn)，在線圈匝數(shù)僅為100匝，勵磁電流為2A時，導(dǎo)磁阻尼層中的磁感應(yīng)強度可達 0. 94T，及電流從OA增加到2A，可控阻尼器的阻尼力可以增加2倍以上，具有很好的控制效^ ο


圖1為本發(fā)明兩層阻尼層智能可控粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明多層阻尼層智能可控粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明在中間增設(shè)獨立鋼板層的阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明阻尼器將上、鋼板與導(dǎo)磁體鑄造成整體的結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明阻尼器在阻尼層中開孔的示意圖。圖中1.導(dǎo)磁鋼板；2.導(dǎo)磁阻尼層；3.導(dǎo)磁體；4.線圈繞組；5.插銷連接板； 6.插銷連接孔；7.控制器；8.傳感器；9.獨立鋼板。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。本發(fā)明提供的阻尼力智能可控的粘彈性阻尼器，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示主要由磁組件、插銷連接件、控制器7和傳感器8組成。其中磁組件形成了完整的閉合磁回路，由線圈來提供磁能輸入，通過改變線圈中的電流來改變磁回路中的磁感應(yīng)強度大小。插銷連接件由插銷連接板5和插銷連接孔6組成，插銷連接件可以將阻尼器和其他結(jié)構(gòu)連接起來，從而發(fā)揮阻尼器對其他結(jié)構(gòu)的耗能作用?？刂破?通過數(shù)據(jù)線分別與傳感器8、線圈繞組4 相連。所述磁組件由與插銷連接板5相連的導(dǎo)磁鋼板1，導(dǎo)磁阻尼層2，導(dǎo)磁體3，線圈繞組4，以及不與插銷連接板5相連的的具有導(dǎo)磁作用的獨立鋼板9組成。本發(fā)明提供的阻尼力智能可控的粘彈性阻尼器，可以由兩層導(dǎo)磁阻尼層2組成， 如圖1所示。也可以由多層導(dǎo)磁阻尼層2組成，如圖2所示，導(dǎo)磁阻尼層2和導(dǎo)磁鋼板1交替疊放在一起，導(dǎo)磁阻尼層2要夾在導(dǎo)磁鋼板1中間。為了增加導(dǎo)磁阻尼層2中的磁感應(yīng)強度，可以在阻尼器中增設(shè)獨立鋼板9，然后在獨立鋼板9四周纏繞線圈繞組4，如圖3所示。導(dǎo)磁阻尼層2、導(dǎo)磁鋼板1和獨立鋼板9也要交替疊放在一起，疊放的順序是導(dǎo)磁鋼板1—導(dǎo)磁阻尼層2 —獨立鋼板9 —導(dǎo)磁阻尼層2 —導(dǎo)磁鋼板1—導(dǎo)磁阻尼層2 —獨立鋼板9—導(dǎo)磁阻尼層2—導(dǎo)磁鋼板1。獨立鋼板9可以使用1塊，也可以使用多塊，直至達到需要的磁感應(yīng)強度要求。對于由多層導(dǎo)磁阻尼層組成的阻尼器，可以有下述兩種結(jié)構(gòu)形式對于圖2所示的阻尼器，其導(dǎo)磁鋼板1全部都與插銷連接，多層導(dǎo)磁阻尼層可以提供更大的阻尼。對于圖 3所示的阻尼器，其導(dǎo)磁鋼板分為與插銷連接的導(dǎo)磁鋼板1和不與插銷連接的獨立鋼板9， 與插銷連接的導(dǎo)磁鋼板1可以和插銷連接板5 —起運動，讓導(dǎo)磁阻尼層2產(chǎn)生相對位移。不與插銷連接的獨立鋼板9可以在鋼板四周增加纏繞線圈繞組4，這樣就可以增大導(dǎo)磁阻尼層2中的磁感應(yīng)強度，從而增加可控阻尼器中的最大阻尼力。為了制造加工方便，與插銷連接的導(dǎo)磁鋼板1和導(dǎo)磁體3之間可以鑄造成一個整體，如圖4所示，然后再與插銷連接板焊接或者螺栓連接。這樣，所有磁組件都可以采用導(dǎo)磁材料制作，插銷連接件可以采用非導(dǎo)磁材料制作，從而可以減小磁泄露，增加導(dǎo)磁阻尼層 2中的磁感應(yīng)強度。所述導(dǎo)磁阻尼層2可以由磁流變彈性體組成，也可以在普通粘彈性材料或者磁流變彈性體材料中挖孔，然后灌入電流和/或磁流變液、羰基鐵粉粒子、純鐵粒子組成，如圖5 所示。所述磁流變彈性體是磁流變材料的一個新的分支。它是由天然橡膠或者硅橡膠基體和磁性顆粒組成，混合有磁性顆粒的橡膠在外加磁場作用下固化，利用磁流變效應(yīng)(即磁性顆粒在磁場方向形成鏈狀聚集結(jié)構(gòu))使顆粒在橡膠基體中形成有序結(jié)構(gòu)。固化后的這種有序結(jié)構(gòu)使磁流變彈性體的儲能模量大大提高，當(dāng)撤走外部磁場，材料的儲能模量又恢復(fù)正常，即磁流變彈性體的力學(xué)性能可以由外加磁場來控制。我們應(yīng)用磁流變彈性體來制作導(dǎo)磁阻尼層2，通過改變磁感應(yīng)強度來控制磁流變彈性體的力學(xué)性能就可以調(diào)節(jié)可控阻尼器的阻尼力大小。在普通粘彈性材料或者磁流變彈性體材料中挖孔，灌入電流和/或磁流變液、羰基鐵粉粒子、純鐵粒子，不僅可以通過改變導(dǎo)磁阻尼層2中的磁感應(yīng)強度來改變磁流變彈性體的儲能模量，還可以改變電流和/或磁流變液的屈服剪應(yīng)力和羰基鐵粉粒子、純鐵粒子的摩擦剪應(yīng)力，可以擴寬可控阻尼器的阻尼力可調(diào)范圍。導(dǎo)磁阻尼層2中的孔可以根據(jù)需要為任意形狀和任意數(shù)量，導(dǎo)磁阻尼層2中的孔需要上下對齊，保證磁路的暢通。所述導(dǎo)磁鋼板1、獨立鋼板9、導(dǎo)磁體3可以由導(dǎo)磁材料(硅鋼、磁性合金、低碳鋼) 制成，也可以由硅鋼片疊層制作。導(dǎo)磁鋼板的厚度、寬度和長度都應(yīng)該利用磁場有限元分析得出優(yōu)化的幾何尺寸，使得通過磁流變彈性體的磁感應(yīng)強度達到最大。所述控制器7可由下列單元組成位移、加速度采集單元，它可將傳感器的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；嵌入式阻力控制單元，它可以根據(jù)控制算法來控制阻尼力大??；過壓過流保護單元，它可以對整個控制器加以保護；PWM恒流功率放大單元，它可以保證控制器的穩(wěn)定性。這四個單元依次以電信號相互連接。所述傳感器8的作用就是采集外部結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，該傳感器可以采用常規(guī)傳感器，例如位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、光學(xué)傳感器等等。下面簡述本發(fā)明阻尼器的工作過程。阻尼器通過插銷連接件與需要增加阻尼的結(jié)構(gòu)連接。首先，通過傳感器8來感知結(jié)構(gòu)在外部動力作用下的振動情況，傳感器將動力響應(yīng)信號輸入至控制器7，該控制器會依據(jù)相應(yīng)的控制策略發(fā)出控制信號來改變線圈繞組4中的電流，從而改變通過導(dǎo)磁阻尼層2 的磁感應(yīng)強度。這樣，導(dǎo)磁阻尼層2的剪切模量也隨著磁感應(yīng)強度而改變，導(dǎo)致了阻尼器的阻尼力可以得到控制。
權(quán)利要求
1.阻尼力智能可控的粘彈性阻尼器，其特征是一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)剪切剛度和阻尼的粘彈性阻尼器，該阻尼器主要由磁組件、控制器(7)和傳感器(8)組成，其中磁組件形成了完整的閉合磁回路，由線圈來提供磁能輸入，通過改變線圈中的電流來改變磁回路中的磁感應(yīng)強度大?。豢刂破?7)通過數(shù)據(jù)線分別與傳感器(8)、磁組件的線圈繞組(4)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述磁組件由與插銷連接板(5)相連的導(dǎo)磁鋼板(1)、導(dǎo)磁阻尼層(2)、導(dǎo)磁體(3)、線圈繞組(4)，以及不與插銷連接板(5)相連的的具有導(dǎo)磁作用的獨立鋼板(9)組成。
3.如權(quán)利要求2所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁鋼板(1)、獨立鋼板(9)和導(dǎo)磁阻尼層(2)交替疊放在一起，線圈繞組(4)繞在導(dǎo)磁鋼板(1)上。
4.如權(quán)利要求3所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁阻尼層(2)采用兩層以上結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁阻尼層(2)由磁流變彈性體組成。
6.如權(quán)利要求4所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁阻尼層(2)由以下結(jié)構(gòu)組成在普通粘彈性材料或者磁流變彈性體材料中挖孔，然后灌入電流和/或磁流變液、羰基鐵粉粒子和純鐵粒子。
7.如權(quán)利要求2所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁鋼板(1)和插銷連接板 (5)—起運動，讓導(dǎo)磁阻尼層(2)產(chǎn)生相對位移；在獨立鋼板(9)的四周纏繞線圈繞組(4)， 以增加導(dǎo)磁阻尼層(2)中的磁感應(yīng)強度，從而增加所述阻尼器中的最大阻尼力。
8.如權(quán)利要求7所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁鋼板(1)、獨立鋼板(9)及導(dǎo)磁體(3)采用硅鋼、磁性合金、低碳鋼或純鐵制成，或采用硅鋼片疊層制成。
9.如權(quán)利要求2所述的粘彈性阻尼器，其特征在于所述導(dǎo)磁鋼板(1)與導(dǎo)磁體(3)通過一次性鑄造工藝形成一個整體，以方便所述粘彈性阻尼器的加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及的阻尼力智能可控的粘彈性阻尼器，是一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)剪切剛度和阻尼的粘彈性阻尼器，該阻尼器主要由磁組件、控制器(7)和傳感器(8)組成，其中磁組件形成了完整的閉合磁回路，由線圈來提供磁能輸入，通過改變線圈中的電流來改變磁回路中的磁感應(yīng)強度大小；控制器(7)通過數(shù)據(jù)線分別與傳感器(8)、磁組件的線圈繞組(4)相連。本發(fā)明利用導(dǎo)磁阻尼層的流變效應(yīng)來彌補普通粘彈性材料的溫度軟化效應(yīng)，使得粘彈性材料因溫度升高而減少的儲能模量可以通過增加外部磁場加以補償；與傳統(tǒng)的粘彈性阻尼器比較，本阻尼器可以根據(jù)需要智能控制阻尼力的大小，具有很好的控制效果。
文檔編號F16F9/53GK102287475SQ20111015459
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者涂建維 申請人:涂建維