磁負(fù)剛度阻尼器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超精密減振領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種磁負(fù)剛度阻尼器。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)振動控制是指保護(hù)主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抵抗動態(tài)負(fù)載引起的強(qiáng)振動。人們已經(jīng)提出了各種用于減輕結(jié)構(gòu)振動的被動、半主動或主動模式的阻尼器，例如粘性流體阻尼器、粘彈性阻尼器、金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、磁流變(magnetorheology’MR)阻尼器、可變孔阻尼器、可變摩擦阻尼器和主動質(zhì)量驅(qū)動器。其中一些已經(jīng)在土木、機(jī)械和航空航天工程中得到成功應(yīng)用。主動和半主動控制技術(shù)往往比被動阻尼器達(dá)到更好的控制效果。線性二次調(diào)節(jié)器(LQR)算法作為主動阻尼器普遍采用的一種最優(yōu)控制理論，可以產(chǎn)生一種具有顯著負(fù)剛度特性的阻尼力-變形關(guān)系，在一些情況下有益于控制效果。這一結(jié)論激發(fā)了研究人員尋求一種能夠與主動阻尼器一樣產(chǎn)生相同的滯回特性并達(dá)到相同控制性能的被動式負(fù)剛度阻尼器(negative-stiffness damper, NSD)。
[0003]負(fù)剛度阻尼器的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在土木工程和機(jī)械工程的各種潛在應(yīng)用領(lǐng)域得到驗(yàn)證，如土木工程中受到地面運(yùn)動作用的建筑物和橋梁，機(jī)械工程中車輛座椅懸架和敏感設(shè)備的減振臺。
[0004]盡管在先前的研究已經(jīng)驗(yàn)證了負(fù)剛度阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，但是其在實(shí)際結(jié)構(gòu)控制中還較少得到應(yīng)用，主要是因?yàn)?
[0005]1、半主動的負(fù)剛度阻尼器需要專門設(shè)計(jì)的控制算法和規(guī)則，且需要包括傳感器和控制器在內(nèi)的自身調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)。這些半主動阻尼器通常被稱為“偽負(fù)剛度阻尼器”。傳感器安裝難度大，以及對外部電源的依賴阻礙了該項(xiàng)技術(shù)的推廣。
[0006]2、雖然已經(jīng)研發(fā)了一些采用預(yù)應(yīng)力彈簧以及非線性粘滯阻尼器相結(jié)合的、或利用屈曲梁的突彈跳變特性相結(jié)合的被動裝置，但是由于其復(fù)雜性以及尺寸較大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)大多都難以得到實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有負(fù)剛度阻尼器需要傳感器或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷，提供一種結(jié)合負(fù)剛度和電渦流阻尼作用制成的被動磁負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種磁負(fù)剛度阻尼器，包括:導(dǎo)電管、安裝軸、滑動軸承以及沿所述導(dǎo)電管軸向排列的一對或多對磁體；
[0009]每對磁體包括平衡狀態(tài)下幾何中心位于同一水平位置的第一磁體和第二磁體，所述第一磁體通過所述安裝軸安裝在所述導(dǎo)電管內(nèi)部由所述滑動軸承控制沿軸向移動，所述第二磁體固定于所述導(dǎo)電管上，所述第一磁體和第二磁體的沿軸向磁化方向相同形成負(fù)剛度作用；所述導(dǎo)電管位于所述第二磁體兩端對稱的位置，所述第一磁體與所述導(dǎo)電管相對運(yùn)動形成電渦流阻尼作用。
[0010]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述第一磁體和第二磁體的幾何中心重合。
[0011]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述第一磁體為圓柱形磁體，所述第二磁體為圓環(huán)形磁體。
[0012]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述第一磁體通過限位螺栓安裝在所述安裝軸上。
[0013]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述多對磁體等間隔分布在所述導(dǎo)電管的軸向上。
[0014]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述安裝軸為連桿。
[0015]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述第一磁體和第二磁體為永磁體。
[0016]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述第一磁體和第二磁體為電磁體。
[0017]在本發(fā)明所述的磁負(fù)剛度阻尼器中，所述每對磁體中第一磁體和第二磁體的間隙建議小于5mmο
[0018]實(shí)施本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器，具有以下有益效果:本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器將負(fù)剛度和電渦流阻尼結(jié)合在一起，其結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，能廣泛應(yīng)用在土木、機(jī)械和航空航天結(jié)構(gòu)的振動控制中。
【附圖說明】
[0019]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0020]圖la和圖lb為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的第一實(shí)施例的垂直剖面圖和水平剖面圖；
[0021]圖2a_2d為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中負(fù)剛度作用的結(jié)構(gòu)和受力示意圖；
[0022]圖3a_3b為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中電渦流阻尼作用的結(jié)構(gòu)和受力示意圖；
[0023]圖4a_4b為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中負(fù)剛度作用和渦流阻尼作用整合后的結(jié)構(gòu)不意圖和受力不意圖；
[0024]圖5為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的受力實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0026]圖7為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的磁體間隙對阻尼力影響的關(guān)系圖；
[0027]圖8為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的磁體間隙對剛度影響的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]請參閱圖la和lb分別為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器的第一實(shí)施例的垂直剖面圖和水平剖面圖。其中圖la為該磁負(fù)剛度阻尼器沿垂直的縱軸所在平面的剖面圖，圖lb為圖la中沿A處的水平橫切面的剖面圖。如圖la和lb所示，該實(shí)施例提供的磁負(fù)剛度阻尼器(magnetic negative-stiffness damper, MNSD)包括安裝軸1、滑動軸承2、以及沿導(dǎo)電管3的軸向排列的一對磁體。該對磁體包括第一磁體4和第二磁體5，該第一磁體4通過例如限位螺栓6固定在安裝軸1上。其中在初始的平衡狀態(tài)下，第一磁體4和第二磁體5的幾何中心位于同一水平位置。本發(fā)明中以導(dǎo)電管3的軸向?yàn)榇怪狈较?，以?dǎo)電管3垂直于軸向的橫截面方向?yàn)樗椒较?。第一磁體4通過安裝軸1放置在導(dǎo)電管3內(nèi)部，安裝軸1通過滑動軸承2安裝在導(dǎo)電管3的中心縱軸位置，可以帶動第一磁體4沿導(dǎo)電管3的軸向移動，其移動方向由滑動軸承2控制。第二磁體5則位于導(dǎo)電管3上，位置相對導(dǎo)電管3固定。第二磁體5可以嵌入導(dǎo)電管3中，也可以固定在導(dǎo)電管3的內(nèi)表面。優(yōu)選地，第二磁體5嵌入導(dǎo)電管3中，一方面使導(dǎo)電管3內(nèi)表面與第一磁體4的距離更小,從而產(chǎn)生更大的電渦流阻尼作用；另一方面也可以縮小整個(gè)阻尼器的體積。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，為使第一磁體4的在水平方向受力均衡且無位移時(shí)軸向力為0,第一磁體4和第二磁體5在初始平衡位置時(shí)幾何中心重合。
[0030]本發(fā)明中以第一磁體4作為內(nèi)部的可移動磁體，第二磁體5作為外部的靜態(tài)磁體，第一磁體4和第二磁體5的磁化方向相同。請結(jié)合參閱圖2a-2d，為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中負(fù)剛度作用的結(jié)構(gòu)和受力示意圖。其中，圖2a_2c中示出了本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中產(chǎn)生負(fù)剛度作用的第一磁體4和第二磁體5的不同相對位置，由于第一磁體4和第二磁體5在縱軸上磁極排列方向相同，在此以向上為N極，向下為S極進(jìn)行說明。在圖2a中內(nèi)側(cè)可移動磁體即第一磁體4的幾何中心與外部靜態(tài)磁體即第二磁體5的幾何中心在同一水平位置時(shí)，該內(nèi)側(cè)可移動磁體即第一磁體4處于平衡狀態(tài)。圖2b中當(dāng)?shù)谝淮朋w4向下移動，其下作用的凈力向下拉它離開平衡位置，由于第一磁體4和第二磁體5同級相斥從而產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力。圖2c中則與之相反，當(dāng)?shù)谝淮朋w4向上移動，其上作用的凈力向上拉它離開平衡位置，由于第一磁體4和第二磁體5同級相斥從而產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力。根據(jù)胡可定律，力的方向與位移方向相同，產(chǎn)生剛度為負(fù)。圖2d為第一磁體4的受力與軸向位移的關(guān)系圖。圖中X為軸向位移，軸向向上為正，向下為負(fù)，F(xiàn)為第一磁體4受到的作用力，兩者均以初始平衡狀態(tài)的水平位置為原點(diǎn)。其中圖2d的坐標(biāo)軸的第二象限對應(yīng)于圖2b的位置關(guān)系，第四象限對應(yīng)于圖2c的位置關(guān)系。請結(jié)合參閱圖3a和圖3b，分別為根據(jù)本發(fā)明的磁負(fù)剛度阻尼器中電渦流阻尼作用結(jié)構(gòu)示意圖和受力示意圖。其中圖3a中示出了產(chǎn)生電渦流阻尼作用的第一磁體4和導(dǎo)電管3。當(dāng)?shù)谝淮朋w4在導(dǎo)電管3中振動時(shí)，根據(jù)楞次定律，在第一磁