技术领域
[0001] 本
发明涉及结构减隔振控制技术领域，具体为一种基于调谐质量阻尼器的隔振装置。
背景技术
[0002] 在
支撑系统中，上部结构在外部因素影响下，会产生振动。例如管道运输系统作为输送
流体(液体、气体、粉末)的重要方式，广泛应用于电
力、化工、航空、舰船等工业领域。输
流管道服役期间的长期振动问题不仅会极大地减短
管道系统及其连接设备的使用寿命，而且在特定运行情况下发生的剧烈振动会直接导致下部支座破坏，致使发生安全事故，因此减隔振对输流管道系统的安全性和经济性至关重要。
[0003] 现有支撑类型常见的有活动支撑(允许管道在
支架上有位移的支架)和固定支撑(固定在管道上用的支架)，两种支撑方式都是刚性支撑，会引起上部结构和其支撑结构一起振动，甚至产生共振。在大型电厂和输油管线中，将会导致严重的安全事故。
[0004] 根据激振源的不同，隔振可分为两类。对于本身是振源的设备，为了减少它对周围机器、仪器和
建筑物的影响，将它与支承隔离开，以减小传给支承上的
不平衡惯性力，称为积极隔振，又称主动隔振。
水泵、
发动机、锻锤机械等的隔振就属此类。对于振源来自支承振动的情况，为了减少外界振动传到系统中来，把系统安装在一个隔振的台座上，使之与地基隔离，这种措施称为消极隔振，又称被动隔振。车辆的座椅、精密仪器的安装、环境运输的
包装、舰艇上导弹发射架的隔振等都属此类。
[0005] 现有减小上部结构振动方法主要有：优化上部结构布局减小上部结构振动；增加支墩加强结构自身强度等。现有的各类减隔振措施结构复杂，制造成本高，且很难达到预想的减隔振效果。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于调谐质量阻尼器的隔振装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于调谐质量阻尼器的隔振装置，包括：
底板，所述底板的上表面一侧装配有下
弹簧，所述底板的上表面远离所述下弹簧的一侧装配有下阻尼器，所述下阻尼器和所述下弹簧的顶端同时装配在质量
块的下表面，所述质量块的上表面靠近所述下弹簧的一侧装配有上弹簧，所述质量块的上表面远离所述上弹簧的一侧装配有上阻尼器，所述上阻尼器和所述上弹簧的顶端同时装配有上部结构。
[0008] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，还包括：
基础，所述基础的上装配有结构弹簧，所述结构弹簧的顶端装配在所述底板的底面。
[0009] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述结构弹簧装配在所述结构上表面的中心
位置处。
[0010] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述上弹簧、上阻尼器、下弹簧、下阻尼器以及结构弹簧的两端均装配有连接板。
[0011] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述上弹簧、上阻尼器、下弹簧、下阻尼器以及结构弹簧的两端均与所述连接板固定装配。
[0012] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述连接板均通过
螺栓分别与所述基础、底板、质量块以及上部结构固定装配。
[0013] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述质量块为一体成型
钢坯或多块钢坯
叠加。
[0014] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述上阻尼器和/或所述下阻尼器为粘滞阻尼器。
[0015] 优选的，上述基于调谐质量阻尼器的隔振装置中，所述上部结构可为任意需要隔振的结构形式，不局限于管道结构。
[0016] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：一方面本发明基于调谐质量阻尼器减隔振原理，将上弹簧和上阻尼器的配合，下弹簧和下阻尼器的配合，通过上阻尼器和下阻尼器提供运动的阻力，耗减运动
能量，同时上弹簧和下弹簧发生弹性形变，达到抵消振动的作用；另一方面本发明提供的基于调谐质量阻尼器的隔振装置构造简单，节约了制造成本，形状尺寸规整，方便了上、下弹簧、质量块和阻尼器的更换。
[0017] 尤其是，本发明通过调节装置中质量块、阻尼器、弹簧的参数，来改变装置与结构的质量比、
频率比、阻尼比，进而调节装置的自振频率。当上部结构受外部激励作用时，装置中质量块会随之振动，对上部结构施加与外部激励力方向相反的作用力。对于上部结构而言，其振幅会在装置提供的反力作用下衰减，这可以从传递途径上对上部结构的振动进行有效地削减。
[0018] 进一步的，本发明通过选取不同的阻尼器参数、弹簧
刚度以及质量块，以应对上部结构的不同工况。因此在满足加工安装的前提下，需要对隔振装置的参数合理选取，来使得装置对下部结构减振效果最佳。
[0019] 进一步的，本发明的隔振装置调频范围广，具有更好的减隔振效果。
附图说明
[0020] 图1为本发明的结构示意图；
[0021] 图2为本发明的结构主视示意图；
[0022] 图3为本发明的结构左视图；
[0023] 图4为本发明隔振装置的力传导率三维曲面；
[0024] 图5本发明
实施例中钢梁、下部结构位移时程曲线图；
[0025] 图6本发明实施例中钢梁、下部结构
加速度时程曲线图；
[0026] 图7本发明实施例中隔振装置弹簧刚度k为50kN/m时力传导率随荷载频率变化的曲线图；
[0027] 图8本发明实施例中隔振装置弹簧刚度k为1000kN/m时力传导率随荷载频率变化的曲线图。
[0028] 图中：1-上部结构、2-上弹簧、3-上阻尼器、4-质量块、5-下弹簧、6-下阻尼器、7-底板、8-结构弹簧、9-基础。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 请参阅图1-3所示，为本发明提供一种技术方案：一种基于调谐质量阻尼器的隔振装置，其包括基础9，所述基础9的上装配有结构弹簧8，所述结构弹簧8的顶端装配有底板7，所述底板7的上表面一侧装配有下弹簧5，所述底板7的上表面远离所述下弹簧5的一侧装配有下阻尼器6，所述下阻尼器6和所述下弹簧5的顶端同时装配在质量块4的下表面，所述质量块4的上表面靠近所述下弹簧5的一侧装配有上弹簧2，所述质量块4的上表面远离所述上弹簧2的一侧装配有上阻尼器3，所述上阻尼器3和所述上弹簧2的顶端同时装配有上部结构1。本发明基于调谐质量阻尼器减隔振原理，将上弹簧和上阻尼器的配合，下弹簧和下阻尼器的配合，通过上阻尼器和下阻尼器提供运动的阻力，耗减运
动能量，同时上弹簧和下弹簧发生弹性形变，达到抵消振动的作用；而且，由于隔振装置构造简单，极大地节约了制造成本，形状尺寸规整，有效地降低了隔振装置的装卸难度，尤其是方便了上、下弹簧、质量块和阻尼器的更换。
[0031] 本实施例中，所述基于调谐质量阻尼器的隔振装置包括：基础9，基础9的上表面中心位置固定装配有结构弹簧8，结构弹簧8的顶端固定装配有底板7，底板7的上表面一侧固定装配有下弹簧5，底板7的上表面远离下弹簧5的一侧固定装配有下阻尼器6，下阻尼器6和下弹簧5的顶端固定装配有质量块4，质量块4的上表面靠近下弹簧5的一侧固定装配有上弹簧2，质量块4的上表面远离上弹簧3的一侧固定装配有上阻尼器3，上阻尼器3和上弹簧2的顶端固定装配有上部结构1。在使用的过程中，当上部结构受外部激励作用时，隔振装置中的质量块4会随之振动，对上部结构1施加与外部激励力方向相反的作用力，以达到耗减运动能量，抵消振动的作用。可以理解的是，对于上部结构1而言，其振幅会在隔振装置提供的反力作用下衰减，进而实现从传递途径上对上部结构1的振动进行有效地削减。
[0032] 具体而言，上阻尼器3和下阻尼器6可为粘滞阻尼器，它根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种与
活塞运动速度相关的阻尼器，能够广泛应用于
高层建筑、
桥梁、建筑结构
抗震改造、工业管道设备抗振、军工等领域。当然，上阻尼器3和下阻尼器6也可以为其他类型的阻尼器，只要能够在使用的过程中达到提供运动阻力，耗减运动能量的作用即可。
[0033] 具体而言，质量块4属于可调节质量的块状构件，其可根据具体的使用环境进行尺寸的选择，设定或是调整，使得隔振装置的频率等于上部结构自由振动频率，达到最佳控制效果。本实施例中，质量块4为一体成型钢坯或有多块钢坯叠加而成，由于钢坯是炼钢炉炼成的
钢水经过
铸造后得到的产品，其强度大，因此在使用的过程中不易
变形，不易损坏，进而增强了使用寿命长久。
[0034] 具体而言，上弹簧2、上阻尼器3、下弹簧5、下阻尼器6以及结构弹簧的8两端均装配有连接板。连接板分别与所述基础、底板、质量块以及上部结构之间固定装配。本实施例中，上弹簧2、上阻尼器3、下弹簧5、下阻尼器6以及结构弹簧的8两端均固定装配有连接板，连接板为一板状构件，连接板通过螺栓分别与所述基础9、底板7、质量块4以及上部结构1之间固定装配，极大地降低了使用过程中隔振装置安装和维护的难度，可以方便的更换上弹簧2、下弹簧5、质量块4和上阻尼器3、下阻尼器6。本发明中，一方面通过将上弹簧3和上阻尼器4的配合，下弹簧5和下阻尼器6的配合，使得隔振装置在使用的过程中上阻尼器4和下阻尼器6均能够提供运动的阻力，极大地耗减了运动能量，同时利用上弹簧3和下弹簧5发生弹性形变，达到抵消振动的作用；另一方面由于其构造简单，节约了制造成本，形状尺寸规整，方便了上、下弹簧、质量块和阻尼器的更换。
[0035] 具体而言，上部结构1可为任意需要隔振的结构形式，不局限于管道结构。
[0036] 工作原理：本发明将一个上阻尼器和一个上弹簧竖向布置在质量块和上部结构之间，将一个下阻尼器和一个下弹簧竖向布置在质量块与下部结构之间，下部结构的刚度和质量通过结构弹簧和底座体现。
[0037] 本发明中提供的基于调谐质量阻尼器的隔振装置的力学模型为三
自由度有阻尼体系，直接求解微分方程，解析解复杂，涉及需优化设计的参数数目多，优化困难，是装置参数设计的主要难点。装置参数设计提供如下三种方法：
[0038] 1、理论计算方法：
[0039] 当作用在上部结构上的外激励力是简谐荷载时，运动方程如下：
[0040]
[0041] 建立隔振系统的动力学方程，在上部结构与下部结构的质量、刚度及阻尼已知的情况下，利用傅里叶变换求解系统的传递函数矩阵，得到下部结构的力传导率，并根据力传导率与隔振装置的质量、刚度、阻尼三者的关系描述其工作特性。
[0042] 通过MATLAB编程，绘制了隔振装置的力传导率三维曲面如下图4所示。
[0043] 由图中可知，随着弹簧刚度的增加，整个系统的第二、三阶频响曲面开始出现，其峰值发生“漂移”，在三维图像中表现为“拱”和“尖峰”。图中对应于系统第三阶频率的力传导率峰值不明显可以忽略。
[0044] 因此在装置的参数设计中，应该避开系统前两阶频率的峰值，同时应当考虑合理的弹簧刚度，在不使下部结构产生大的位移的前提下，尽量选取力的传导率较小的参数。
[0045] 2、仿真计算方法：
[0046] 在ANSYS、ABAQUS等有限元
软件中建立装置有限元模型，设置系统固有属性参数，如：上部结构和下部结构质量、刚度、阻尼等。在上部结构上施加对应的激励力，不断调节质量块的质量和上、下弹簧刚度和上、下阻尼器的阻尼系数，对模型进行谐分析，同时输出上部结构和下部结构的位移，比较两者位移曲线的峰值和动力响应随荷载频率变化的趋势。结合经济性等其他因素，选取最优的质量块质量、上、下弹簧刚度和上、下阻尼器的阻尼系数。
[0047] 本实施例中，以连续三跨钢梁为基础，模拟了装置的减振情况，取荷载频率等于钢梁一阶频率13.57HZ。绘制出钢梁、下部结构位移时程、加速度时程曲线如下图5-6所示。
[0048] 由图中可知，下部结构对比上部结构位移明显减小，隔振装置对下部结构起到很好的隔振效果。
[0049] 进一步的，为证明解析方法的可行性，本实施例中，选取隔振装置弹簧刚度k分别为50kN/m和1400kN/m，绘制了解析解力传导率随荷载频率变化曲线如下图7-8所示。
[0050] 同时，将有限元仿真结果描在对应图中，其与解析解曲线拟合程度非常好，这证明了解析计算方法的正确性。
[0051] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052] 本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据
说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、
铆钉、
焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上
电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
[0053] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、
修改、替换和变型，本发明的范围由所附
权利要求及其等同物限定。
