阅读说明：本技术 稳态可控复合压杆及基于该复合压杆的瞬态振动抑制结构 (Steady-state controllable composite pressure lever and transient vibration suppression structure based on same ) 是由 方辉 孟祥剑 段利亚 靳汉文 刘勇 李华军 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种稳态可控复合压杆及基于该复合压杆的瞬态振动抑制结构,其中,稳态可控复合压杆包括位于两端的刚性承压部以及位于两端刚性承压部之间的复合屈曲部；所述复合屈曲部包括第一刚性材料层、第二刚性材料层和低模量材料夹心层；所述第一刚性材料层和第二刚性材料层间隔固定在两刚性承压部之间,并在复合屈曲部的两侧形成第一缺口部和第二缺口部；所述低模量夹心层固定在第一刚性材料层与第二刚性材料层之间；本申请稳态可控复合压杆相对于现有技术的三层层合压杆,其屈曲阈值更易于控制。(The invention discloses a steady-state controllable composite pressure lever and a transient vibration suppression structure based on the same, wherein the steady-state controllable composite pressure lever comprises rigid pressure bearing parts at two ends and a composite bending part between the rigid pressure bearing parts at the two ends; the composite flexures include a first rigid material layer, a second rigid material layer, and a low modulus material sandwich layer; the first rigid material layer and the second rigid material layer are fixed between the two rigid bearing parts at intervals, and a first notch part and a second notch part are formed on two sides of the composite bending part; the low modulus sandwich layer is fixed between the first rigid material layer and the second rigid material layer; compared with the three-layer laminating compression bar in the prior art, the buckling threshold of the steady-state controllable composite compression bar is easier to control.)

稳态可控复合压杆及基于该复合压杆的瞬态振动抑制结构

技术领域

本发明涉及海洋与船舶技术领域，特别涉及一种稳态可控复合压杆及基于该复合压杆的瞬态振动抑制结构。

背景技术

海洋与船舶工程结构必然承受短时高幅载荷(例如砰击)随之产生瞬态振动，由于结构金属固有阻尼极小，瞬态振动持续传播，结构损伤逐渐累积，最终破坏，有效实施瞬态振动抑制已成为保证海洋工程结构安全的重大需求。

传统的振动抑制方法中，将粘弹性材料等引入结构，依线性原理，此类材料需达到一定比例才能实现有效耗散，但是此类材料刚度较低，将降低结构整体刚度。在线性原理范围内，如结构设计满足刚度要求，则无法实现有效耗散，如采用高耗散设计，则无法满足承载要求。

本申请人在先申请的公开号为CN111255841A的中国发明专利申请，其公开了一种三层层合压杆及基于该层合压杆的瞬态振动抑制结构，其中三层层合压杆包括竖向设置的刚性材料层和低模量材料层；刚性材料层的两端均向其相对两侧延伸，形成第一增厚部和第二增厚部，第一增厚部的厚度大于第二增厚部的厚度；刚性材料层两端的第一增厚部之间形成第一缺口部，刚性材料层两端的第二增厚部之间形成第二缺口部；低模量材料层包括第一低模量材料层和第二低模量材料层，第一低模量材料层固定在第一缺口部，其厚度与第一增厚部相同，第二低模量材料层固定在第二缺口部，其厚度与第二增厚部相同；该层合压杆在受压时，由于两侧低模量材料层的非对称约束作用，层合压杆在弯曲时中性轴发生显著偏移，使得弯曲的层合压杆等效刚度增大，稳态转换阈值大幅增加，上述边界失稳控制与层合压杆刚度控制使得层合压杆滞后回环面积增大；将该层合压杆应用于瞬态振动抑制结构中，使结构同时具有高刚度和高耗散。但是，由于该层合压杆刚度控制是改变了中性轴位置，压杆长度、宽度、厚度等参数确定条件下，其回环面积的大小取决于其端部非对称厚度，因此，该结构的层合压杆屈曲阈值控制较为复杂，阈值控制区间受限于压杆长度、宽度、总厚度、软材料与钢材厚度比例。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种稳态可控复合压杆，其屈曲阈值更易控制，应用于瞬态振动抑制结构中，使该抑制结构同时具有高刚度和高耗散。

进一步，本发明提供一种基于上述稳态可控复合压杆的瞬态振动抑制结构。

本发明所采用的技术方案是：

稳态可控复合压杆，包括位于两端的刚性承压部以及位于两端刚性承压部之间的复合屈曲部；所述复合屈曲部包括第一刚性材料层、第二刚性材料层和低模量材料夹心层；所述第一刚性材料层和第二刚性材料层间隔固定在两刚性承压部之间，并在复合屈曲部的两侧形成第一缺口部和第二缺口部；所述低模量夹心层固定在第一刚性材料层与第二刚性材料层之间。

进一步，所述屈曲部还包括第一低模量材料层和第二低模量材料层，所述第一低模量材料层固定在第一缺口部、且其边缘与对应侧的刚性承压部齐平，所述第二低模量材料层固定在第二缺口部、且其边缘与对应侧的刚性承压部齐平。

进一步，所述刚性承压部、第一刚性材料层和第二刚性材料层均由同一种金属材料制成。

进一步，所述刚性承压部、第一刚性材料层和第二刚性材料层一体成型。

进一步，所述第一低模量材料层、第二低模量材料层和低模量材料夹心层由聚甲基丙烯酸甲酯、树脂或塑料制成。

进一步，本申请还提供一种基于稳态可控复合压杆的瞬态振动抑制结构，包括上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳，所述线性弹簧拉紧连接在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳的上端面位于所述第一外壳的上端面的下侧，所述第二外壳的下端面位于所述第一外壳的下端面的下侧，所述上压板紧贴在所述第二外壳的上端面的下侧，所述下压板紧贴在所述第一外壳的下端面的上侧；所述第一外壳的上端面的下侧具有第一凸起，所述第一外壳的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳的上端面上具有第二通孔，所述第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度；其特征在于，

还包括复合压杆，该复合压杆采用上述的稳态可控复合压杆，该稳态可控复合压杆装夹在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的刚度大于所述复合压杆的刚度。

进一步，所述复合压杆的安装位置与第一外壳和第二外壳长轴重合。

进一步，所述复合压杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳的材料均为钢。

进一步，所述复合压杆在受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，其依次出现局部弯曲构型和弯曲构型。

采用如上技术方案，本发明具有如下有益效果：

本申请稳态可控复合压杆，通过在两端刚性承压部之间设置复合屈曲部，该复合屈曲部包括第一刚性材料层、第二刚性材料层和低模量材料夹心层，第一刚性材料层和第二刚性材料层间隔固定在两刚性承压部之间，并在复合屈曲部的两侧形成第一缺口部和第二缺口部，低模量夹心层固定在第一刚性材料层与第二刚性材料层之间；采用该结构的复合压杆，其复合屈曲部为第一刚性材料层、低模量材料夹心层和第二刚性材料层复合而成的硬/软/硬夹层结构，复合压杆弯曲刚度取决于第一刚性材料层与第二刚性材料层之间的距离，并受到刚性材料层与低模量材料层的材料模量比的影响，因此，该复合压杆在轴向受压时，其屈曲阈值同时受其弯曲刚度、几何尺寸和低模材料夹心层的剪切强度影响；在与现有技术中三层层合压杆所用材料总量相同的情况下，本申请复合压杆刚度控制效果明显好于现有技术中的三层层合压杆，因此，相对于现有技术的三层层合压杆，本申请复合压杆屈曲阈值更易于控制且阈值范围更大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请实施例1稳态可控复合压杆结构示意图；

图2为图1的A部放大图；

图3为本申请实施例2稳态可控复合压杆结构示意图；

图4为图3的B部放大图；

图5为本申请实施例3基于稳态可控复合压杆的瞬态振动抑制结构示意图；

图6a为本申请实施例的稳态可控复合压杆伸直状态结构示意图；

图6b为本申请实施例的稳态可控复合压杆局部弯曲状态的结构示意图；

图6c为本申请实施例的稳态可控复合压杆弯曲状态的结构示意图；

图7为本申请实施例(实施例1和实施例2)的复合压杆以及偏心压杆、双层层合压杆、三层层合压杆的载荷-位移曲线图；

图8为本申请实施例的复合压杆(实施例1和实施例2)以及以及偏心压杆、双层层合压杆、三层层合压杆的瞬态振动衰减曲线；

图9为本申请实施例1复合压杆弯曲刚度计算示意图。

其中，复合压杆1、刚性承压部11、复合屈曲部12、低模量材料夹心层121、第一刚性材料层122、第二刚性材料层123、第一缺口部124、第二缺口部125、第一低模量材料层126、第二低模量材料层127、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳5、第二外壳6。

其中，偏心压杆结构请参见本申请人在先专利(CN108317201A)，双层层合压杆结构请参见本申请人在先专利(CN111043213A)，三层层合压杆结构请参见本申请人在先专利(CN111255841A)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1：

参见图1和图2，稳态可控复合压杆1，包括位于两端的刚性承压部11以及位于两端刚性承压部11之间的复合屈曲部12；所述复合屈曲部12包括第一刚性材料层122、第二刚性材料层123和低模量材料夹心层121；所述第一刚性材料层122和第二刚性材料层123间隔固定在两刚性承压部11之间，并在复合屈曲部12的两侧形成第一缺口部124和第二缺口部125；所述低模量夹心层固定在第一刚性材料层122与第二刚性材料层123之间。

本申请稳态可控复合压杆1，通过在两端刚性承压部11之间设置复合屈曲部12，该复合屈曲部12包括第一刚性材料层122、第二刚性材料层123和低模量材料夹心层121，第一刚性材料层122和第二刚性材料层123间隔固定在两刚性承压部11之间，并在复合屈曲部12的两侧形成第一缺口部124和第二缺口部125，低模量夹心层固定在第一刚性材料层122与第二刚性材料层123之间；采用该结构的复合压杆1，其复合屈曲部12为第一刚性材料层122、低模量材料夹心层121和第二刚性材料层123复合而成的硬/软/硬夹层结构，复合压杆1弯曲刚度取决于第一刚性材料层122与第二刚性材料层123之间的距离，并受到刚性材料层与低模量材料层的材料模量比的影响，因此，该复合压杆1 在轴向受压时，其屈曲阈值同时受其弯曲刚度、几何尺寸和低模材料夹心层的剪切强度影响；在与现有技术中三层层合压杆所用材料总量相同的情况下，本申请复合压杆1刚度控制效果明显好于现有技术中的三层层合压杆，因此，相对于现有技术的三层层合压杆，本申请复合压杆1屈曲阈值更易于控制且阈值范围更大。

复合压杆1的弯曲刚度计算公式如下(参见图9)：

其中，K_sa为夹心结构的复合压杆弯曲刚度，B为夹心结构的复合压杆宽度，脚标i的取值为1、2、3，E_i为第i层的弹性模量，Z_i为第i层的Z轴坐标， Z_i-1为第i-1层的Z轴坐标。

刚性承压部11、第一刚性材料层122和第二刚性材料层123均由同一种金属材料制成。具体的，刚性承压部11、第一刚性材料层122和第二刚性材料层 123均由钢制成。

第一刚性材料层122、第二刚性材料层123和刚性承压部11可分体成型，也可一体成型。分体成型时，第一刚性材料层122和第二刚性材料层123的两端可通过焊接的方式固定在对应端的刚性承压部11上。

低模量材料夹心层121由低模量聚合物制成，具体的，低模量材料夹心层 121材料为聚甲基丙烯酸甲酯、树脂或塑料。第一刚性材料层122和第二刚性材料层123之间间隔一定距离，低模量材料夹心层121固定在第一刚性材料层 122和第二刚性材料层123之间。具体的，低模量材料夹心层121粘贴在第一刚性材料层122和第二刚性材料层123上。

实施例2：

参见图3和图4，与实施例1不同的是，在本实施例中，所述屈曲部还包括第一低模量材料层126和第二低模量材料层127，所述第一低模量材料层126 固定在第一缺口部124、且其边缘与对应侧的刚性承压部11齐平，所述第二低模量材料层127固定在第二缺口部125、且其边缘与对应侧的刚性承压部11齐平。

第一低模量材料层126和第二低模量材料层127由低模量聚合物制成，具体的，第一低模量材料层126和第二低模量材料层127为聚甲基丙烯酸甲酯、树脂或塑料。第一刚性材料层122的外侧竖向设有第一缺口部124，第一低模量材料层126固定在第一刚性材料层122外侧的第一缺口部124中；第二刚性材料层123的外侧竖向设有第二缺口部125，第二低模量材料层127固定在第二刚性材料层123外侧的第二缺口部125中。具体的，第一低模量材料层126 和第二低模量材料层127可粘贴在对应的第一刚性材料层122和第二刚性材料层123上。

通过在第一缺口部124和第二缺口部125内固定第一低模量材料层126和第二低模量材料层127，在该复合压杆1在轴向受压时，因两侧的低模量材料层和约束作用，使得弯曲的复合压杆1等效刚度增大，稳态转换阈值增加，使其耗散能量显著增大。

第一缺口部124和第二缺口部125的深度可以相同，也可以不相同；第一低模量材料层126和第二低模量材料层127的厚度可以相同，也可以不相同。当第一缺口部124和第二缺口部125深度不同时，对应的第一低模量材料层126 和第二低模量材料层127的厚度也不相同，使复合压杆1形成非对称的偏心结构。在此种结构下，复合压杆1在轴向受压时，因其刚性受压部偏离距离不同，复合压杆1边界失衡时压杆轴向位移量更大，其耗散能量显著增大。

实施例3：

参见图5～图6c，进一步，本发明提供一种基于稳态可控复合压杆1的瞬态振动抑制结构，包括复合压杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳 5和第二外壳6。复合压杆1采用本发明上述实施例1和实施例2的复合压杆1，该复合压杆1装夹在所述上压板2和下压板3之间。线性弹簧4拉紧连接在上压板2和下压板3之间，第一外壳5和第二外壳6的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，第二外壳6的上端面位于第一外壳5的上端面的下侧，第二外壳6的下端面位于第一外壳5的下端面的下侧，上压板2紧贴在所述第二外壳 6的上端面的下侧，下压板3紧贴在所述第一外壳5的下端面的上侧。第一外壳5的上端面的下侧具有第一凸起，第一外壳5的下端面上具有第一通孔，第二外壳6的下端面的上侧具有第二凸起，第二外壳6的上端面上具有第二通孔，第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，第二凸起可伸缩地装配在第一通孔中，第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度。第一外壳5和第二外壳6的刚度大于复合压杆1的刚度。

在本发明实施例的一个方面，线性弹簧4具有两条，相对于复合压杆1对称地连接在上压板2和下压板3之间，且线性弹簧4平行于复合压杆1。复合压杆1与线性弹簧4共同置于上压板2和下压板3之间组成承载结构，承载结构预压缩后安装于第一外壳5和第二外壳6之间，上压板2、下压板3、复合压杆1、第一外壳5和第二外壳6间紧密、稳固接触，其中第一外壳5和第二外壳6的刚度远大于复合压杆1；优选的，第一外壳5和第二外壳6的刚度是复合压杆1的刚度的20～40倍。

在本发明实施例的一个方面，复合压杆1的安装位置与第一外壳5和第二外壳6的长轴重合。以保证层合压杆垂直受力。

在本发明实施例的一个方面，第一外壳5的上端面的上侧与被隔离结构固定连接，第二外壳6的下端面的下侧与支撑结构固定连接；或者第一外壳5的上端面的上侧与支撑结构固定连接，第二外壳6的下端面的下侧与被隔离结构固定连接。

在本发明实施例的一个方面，所述第一外壳5和第二外壳6的结构相同，均为长方形框架状结构。优选的，所述复合压杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳5和第二外壳6的材料均为钢。以实现本发明装置结构和力学性能的优化。

在本发明实施例的一个方面，复合压杆1受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，复合压杆1依次出现局部弯曲构型和弯曲构型。

本发明抑制结构在使用时，抑制结构的轴向与载荷作用方向一致，若外部拉伸载荷作用于第一外壳5的上端，第二外壳6固定，第一外壳5沿拉伸方向运动，上压板2位移受到第二外壳6的上端约束，此时复合压杆1承受压应力。若第一外壳5沿压缩方向运动，第二外壳6固定，连接在第一外壳5的上端面下侧的第一凸起穿过第二外壳6的上端面的第二通孔将载荷作用于上压板2上，位于复合压杆1下端的下压板3位移受到第二外壳6下端的约束，第二外壳6 的下端面上侧的第二凸起穿过第一外壳5的下端面的第一通孔抵住所述下压板3，此时复合压杆1仍承受压应力。第一外壳5和第二外壳6的刚度远大于复合压杆1，以上过程中第一外壳5和第二外壳6的变形忽略。可见无论该抑制结构第一外壳5上端承受拉压作用，或者第二外壳6的下端承受拉压作用，复合压杆1都承受压应力，当载荷达到复合压杆1的弹性屈曲阈值，即发生稳态转换，由直杆构型转换为弯曲构型，如图6a中为直杆构型，图6b中为局部弯曲构型，图6c中为弯曲构型，卸载时由弯曲构型回弹至直杆。相对于现有技术中的三层层合压杆结构，本申请复合压杆1在屈曲部采用了硬/软/硬的夹心结构，复合压杆1结构与三层层合压杆初始刚度相同的情况下，二者瞬态振动抑制效果类似，但由于复合压杆1结构在受压弯曲过程中，其中性轴不发生偏移，其屈曲阈值取决于其弯曲刚度、几何尺寸和低模材料夹心层的剪切强度，相对于三层层合杆杆因中性轴发生偏移而实现控制压杆弯曲刚度而控制屈曲阈值的原理，本申请复合压杆1屈曲阈值更易控制，并且能够优于三层层合压杆接近的抑制效果(图8)；通过在刚性材料层两侧的缺口内填充低模量材料层(第一低模量材料层126和第二低模量材料层127)，该低模量材料层与中间的硬/软 /硬夹心结构共同作用，使得本复合压杆1在第一次达到屈曲后，需要更大变形才能达到第二次屈曲，延长了复合压杆1的回环面积，提高了其耗散能力，相对于同等初始刚度的三层层合压杆，本申请五层结构的复合压杆1屈曲阈值更易控制，并且对瞬时振动的抑制效果更好；通过将刚性材料层两侧的缺口设置为非对称结构，并在缺口内填充不同厚度的低模量材料层，在该非对称设置的低模量材料层的非对称约束下，五层非对称复合压杆1在受压弯曲时，中性轴位置发生偏移，极大增加了五层非对称复合压杆1的等效弯曲刚度，极大增加了压杆的屈曲极限，滞后结构耗散能力取决于滞后回环的面积(图7)，通过以上设计，本申请五层非对称复合压杆1与本申请人在先专利中的偏心压杆、双层压杆、三层压杆初始刚度基本一致(因为低模量材料对于轴向刚度影响很小)，但本申请五层非对称压杆结构弯曲刚度大大增加(五层层合产生的效果)，滞后回环面积大大增加(非对称低模量材料层与夹心结构共同作用效果)，因此，本申请五层非对称复合压杆1在不改变结构初始刚度的情况下，具有更大的弯曲刚度和耗散能力，其相对于现有技术中的压杆，瞬态振动更快得到抑制 (图8)。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。