阅读说明：本技术 一种多频动力吸振方法及多频动力吸振器 (Multi-frequency dynamic vibration absorption method and multi-frequency dynamic vibration absorber ) 是由 涂奉臣 贺才春 胡小刚 肖光辉 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：一种多频动力吸振方法及多频动力吸振器,通过将连接部和质量块空间角度连接增加动力吸振单元的振动模态,从而减少了固定单元上的吸振单元分布数目,连接部、质量块和固定单元间的刚性连接使得结构简单化,增加了整体结构的稳固性并能减小部件间因间隙而产生的频率匹配误差影响。本发明涉及的多频动力吸振方法及多频动力吸振器结构简单稳定性好,能有效消除被控对象的多个离散振动固有频率影响。(A multi-frequency dynamic vibration absorption method and a multi-frequency dynamic vibration absorber increase the vibration mode of a dynamic vibration absorption unit by connecting a connecting part and a mass block in a spatial angle manner, thereby reducing the distribution number of the vibration absorption units on a fixed unit, simplifying the structure by rigid connection among the connecting part, the mass block and the fixed unit, increasing the stability of the whole structure and reducing the influence of frequency matching errors caused by gaps among components. The multi-frequency dynamic vibration absorption method and the multi-frequency dynamic vibration absorber have simple structures and good stability, and can effectively eliminate the influence of a plurality of discrete vibration inherent frequencies of a controlled object.)

一种多频动力吸振方法及多频动力吸振器

技术领域

本发明涉及工程振动控制领域，特别涉及一种多频动力吸振方法及多频动力吸振器。

背景技术

在工程振动控制领域，使用动力吸振器减振是常用的方法之一。动力吸振器由辅助质量和弹簧以及阻尼组成，将其振动固有频率调整至主结构共振频率附近，改变主结构的共振特性，从而达到对主结构减振的作用。由于具有结构简单、施工和维修方便、减振效果好和成本较低等优点，动力吸振器已在建筑、桥梁、船舶、汽车、机械加工等领域广泛使用，对于抑制稳定的单一频率振动（或线谱振动）效果显著。

动力吸振器的基本构成包括质量部件和弹簧部件，必要时还可以加入阻尼部件。动力吸振器自身的固有频率由其质量m和刚度k决定，即动力吸振器自身的固有频率为。当动力吸振器的固有频率与被控对象（主结构）的共振频率相同或接近时，动力吸振器发生共振。在动力吸振器共振过程中，会产生与被控对象振动方向相反的作用力，并作用于被控对象上面，从而抑制被控对象的振动响应。宏观上看，相当于动力吸振器将被控对象的振动能量吸收到动力吸振器上来，此时，被控对象的振动响应减小，免于被振动损坏。

工程中常见的动力吸振器，大多数只能吸收单频振动。但在很多情况下，振源情况非常复杂，被控对象往往会受到多个单频振动的激励，并且每个频率跨越的频带较宽，需要针对每一个频率的振动响应进行抑制。这种情况下，若针对每一个激励频率都设计一个型号的动力吸振器，则工作量较大，并且吸振器的数量过多，会带来安装空间的增大和重量的超标，这在实际工程中通常是难以接受的。为了解决多频振动的抑制问题，出现了多频（或宽频）动力吸振器。

现有技术中，（1）采用振动主动/半主动控制，即通过传感器获取振动激励的频率变化，经过控制器处理后，由作动器改变动力吸振器的参数（如刚度、质量等参数），从而使得动力吸振器的固有频率跟随外界激励频率的变化。这种途径虽然效果显著，但由于引入了电子控制系统，并且需要从外界输入能量，使得系统的可靠性降低，并且成本增加很大，所以通常只在极少数不计成本的情况下使用，在一般民用工程领域中很少采用。

（2）仍然采用振动被动控制，将多个频率的动力吸振器复合在一起。如专利“一种可调式宽频吸振隔声支座”（CN201910117580.5）通过将悬臂梁动力吸振器与隔振器相结合，实现一种适用范围广且工作频率可调的可调式宽频吸振隔声支座。再如专利“一种组合式宽频动力吸振装置”（CN201810955036.3）采用多个统一大小的阻尼基体，动力吸振单元通过框架体组合，可以有针对性的对多个离散的频率进行吸振；该发明由阻尼基体与质量块两部分构成，工作频率变化范围广，调节质量块相对位置时，工作频率变化灵敏度高。采用这种被动控制的途径虽然原理简单、实施方便。又如专利“一种频率可调的宽频动力吸振器及其吸振方法”（CN201610599120.7）包括底座、垂直安装在所述底座的螺杆、固定吸振单元、至少一组移动吸振单元、螺帽和滑动金属板。

以上的对比文件均是通过移动质量块的相对位置改变移动吸振单元的固有振动频率，从而实现对多个离散的固有振动频率的振动吸收，一旦移动质量块的位置确定后，单个振动单元的振动模态将只有一种或最多两种的振动模。当被控对象具有较多的离散固有振动频率时，须通过安装较多的移动振动单元分别对各个离散的固有振动频率进行吸收，因此将导致整个吸振器的重量、体积过大。并且移动质量块的相关结构部件均是活动连接，部件数量尤其细小部件较多且复杂，其部件间的活动间隙将影响吸振频率和被控对象的固有振动频率的匹配并最终影响吸振效果。

因此提出一种结构步骤简单、具有多阶模态振动的多频动力吸振方法及多频动力吸振器在本技术领域内具有重大的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

采用一种多频动力吸振方法，包括以下步骤，提供一个具有刚度K_a的固定单元以及至少一个具有刚度K_b的吸振单元，其中K_a>K_b；

将吸振单元刚性连接于固定单元上；

将固定单元与被控对象固定连接；

所述吸振单元具有固定的多阶模态振动频率，通过吸振单元的多阶模态振动频率与被控对象的多个固有振动频率匹配，当吸振单元的其中一阶模态振动频率和被控对象的固有振动频率相等时，被控对象的固有振动被吸振单元吸收。

进一步地，所述吸振单元由连接部和质量块组成；将所述连接部一端和所述固定单元刚性连接，另一端和质量块刚性连接并具有刚性连接点A和重心O₂，使得质量块以刚性连接点A对连接部产生上下模态振动x₁；

所述质量块具有重心O₂，将重心O₁设置在刚性连接点A和重心O₂连线的外部使AO₂O₁间形成一定角度α，使质量块围绕连接部产生扭转模态振动ω₁；

所述质量块围绕重心O2产生质心模态振动ω₂；所述上下模态振动x₁、扭转模态振动ω₁和质心模态振动ω₂形成三阶模态振动。

进一步地，在固定单元上刚性连接n个所述吸振单元，每个吸振单元刚性连接点A_n和重心O_2n以及重心O_1n形成角度α_n，将所述各个角度α_n设置为相互间不相等，使得每个吸振单元的扭转模态振动ω_1n固有频率不同；

将所述每个吸振单元的连接部的尺寸、质量以及刚度设置为相互间不相等，使得每个吸振单元的上下模态振动x_1n间不相等；

将所述每个质量块的尺寸、质量以及刚度设置为相互间不相等，使得每个吸振单元的质心模态振动ω_2n的固有频率不相等，由此各个吸振单元的组合具有固定的多阶模态振动频率。

进一步地，提取被控对象振动响应中最显著的多个振动频率fn，通过调节所述角度α_n或者调节各个连接部的尺寸、刚度和质量或者调节各个质量块的尺寸、刚度和质量，使得至少其中一个吸振单元的质心模态振动ω_2n或者上下模态振动x_1n或者扭转模态振动ω_1n的固有频率与fn相等，由此吸振单元的多阶模态振动频率和被控对象的多个固有振动频率匹配fn之间匹配。

本发明还提供一种多频动力吸振器，包括至少一个吸振单元、一个固定单元，所述固定单元一端和被控对象固定连接，吸振单元包括连接部和质量块，连接部一端和固定单元刚性连接，另一端和质量块的一端刚性连接并具有刚性连接点A，连接部和质量块以刚性连接点A为顶点呈一定空间角度；所述固定单元的刚度大于吸振单元的刚度。

进一步地，所述连接部为一个圆柱体或者长方体状的刚性悬臂梁，悬臂梁一端和质量块一端通过螺纹连接或压铆连接，所述固定单元的刚度大于悬臂梁的刚度。

进一步地，所述质量块为两端尺寸较大中间尺寸较小呈哑铃状。

进一步地，所述固定单元包括连接螺纹、紧固螺母、支撑柱、下夹板、上夹板；所述支撑柱一端通过连接螺纹、紧固螺母与被控对象固定连接，另一端与下夹板和上夹板固定连接，下夹板和上夹板将连接部一端夹紧并固定，下夹板和上夹板的刚度大于连接部的刚度。

进一步地，所述连接部的外表面覆盖约束阻尼层，包括阻尼层一和阻尼层二，阻尼层一为易剪切变形的材料制成并覆盖在连接部的外表面，阻尼层二为刚性材料制成的薄板并覆盖在阻尼层一的外表面。

进一步地，多个吸振单元通过各自的连接部均匀分布地和固定单元固定连接，各个吸振单元的连接部的刚度、质量、尺寸相互间不等，各个吸振单元的质量块之间的刚度、质量、尺寸相互间不等。

本发明具有以下优点：

1、本发明中的吸振单元通过质量块和连接部的空间角度连接，使得单个吸振单元具有三种模态振动频率，当被控对象固有振动频率较多时，相对现有技术将减少吸振单元的分布数目，因此将减少整个动力吸振器的重量体积。

2、本发明中的吸振单元的质量块的相对位置是固定的，在增加振动模态的基础上对吸振单元的结构进行了简化，其连接部、质量块、固定单元之间均是刚性连接，使得吸振单元的结构简单稳固，对吸振频率的影响较小。

附图说明

图1：动力吸振单元的振动模态示意图；

图2：多频动力吸振器的结构意图一；

图3：多频动力吸振器的结构意图二；

图4：阻尼层分布示意图；

图5：动力吸振器与被控对象频率匹配响应曲线。

具体实施方式

为了本领域普通技术人员能充分实施本发明内容，下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明内容。

一种多频动力吸振方法，包括以下步骤，提供一个具有刚度K_a的固定单元以及至少一个具有刚度K_b的吸振单元，其中K_a>K_b。在本实施例中，刚度K_a和刚度K_b分别为固定单元以及吸振单元的等效刚度，当K_a>K_b时，被控对象在振动时，固定单元受其影响很小，将被控对象的振动频率近乎等效地传递到吸振单元上。

将吸振单元刚性连接于固定单元上后再将将固定单元与被控对象固定连接。在本实施例中，被控对象和固定单元系刚性连接，固定单元和吸振单元之间固定连接，如此可保证被控对象、固定单元和吸振单元之间的连接稳固间隙较小，使得被控对象的振动固有频率能近乎等效地传递到吸振单元上。同时使得上述的连接关系之间的结构简单化，简化了很多不必要的连接结构件。

在上述被控对象、固定单元以及吸振单元间连接好后，即开始匹配吸振单元和被控对象的振动频率。为了能尽可能少的在固定单元上分布吸振单元，将所述吸振单元设计为具有固定的多阶模态振动频率，通过吸振单元的多阶模态振动频率与被控对象的多个固有振动频率匹配，当吸振单元的其中一阶模态振动频率和被控对象的固有振动频率相等时，被控对象的固有振动被吸振单元吸收，当被控对象所有的固有振动频率与吸振单元的各阶模态振动频率相等时，被控对象的振动被完全吸收。

为了在吸振单元上实现上述多阶模态振动，将所述吸振单元由连接部8和质量块4组成，使得质量块4具有三阶模态振动。具体如图1所示，将所述连接部8一端和所述固定单元刚性连接，另一端和质量块4刚性连接并具有刚性连接点A和重心O₁，使得质量块4以刚性连接点A对连接部产生上下模态振动x₁。

所述质量块4具有重心O₂，将重心O₁设置在刚性连接点A和重心O₂连线的外部使AO₂O₁间形成一定角度α，使质量块4围绕连接部8产生扭转模态振动ω₁；

所述质量块4围绕重心O2产生质心模态振动ω₂；所述上下模态振动x₁、扭转模态振动ω₁和质心模态振动ω₂形成三阶模态振动。通过上述连接部8和质量块4的相对固定位置关系的设置，使得单个吸振单元具有三阶模态振动，当合理匹配所述三个模态振动频率，使之与被控制对象的激励频率相同或接近，将能够有效抑制被控对象在这三个频率的振动响应。

基于上述具有三阶模态振动的吸振单元，在固定单元上刚性连接n个所述吸振单元，每个吸振单元刚性连接点A_n和重心O_2n以及重心O_1n形成角度α_n，将所述各个角度α_n设置为相互间不相等，质量块4对连接部8的力矩产生差异，使得每个吸振单元的扭转模态振动ω_1n固有频率不同；

将所述每个吸振单元的连接部8的尺寸或质量或刚度设置为相互间不相等，使得每个吸振单元的上下模态振动x_1n间不相等；将所述每个质量块4的尺寸或质量或刚度设置为相互间不相等，使得每个吸振单元的质心模态振动ω_2n的固有频率不相等，由此各个吸振单元的组合具有固定的多阶模态振动频率。根据固有振动频率的计算表达式，当连接部8或者质量块4的尺寸或质量不同时，其等效质量m也不相同，在连接部8或者质量块4的材质相同前提下，其具有的上下模态振动x_1n和质心模态振动ω_2n的振动固有频率理所应当不同，因此可通过调整变化连接部8或者质量块4的尺寸、质量来调节上下模态振动x_1n和质心模态振动ω_2n的振动固有频率使其与被控对象的固有频率匹配。连接部8或者质量块4的刚度同样影响上下模态振动x_1n和质心模态振动ω_2n的振动固有频率，其原理相同，在此不在赘述。

提取被控对象振动响应中最显著的多个振动频率fn，通过调节所述角度α_n或者调节各个连接部8的尺寸、刚度和质量或者调节各个质量块4的尺寸或质量，使得至少其中一个吸振单元的质心模态振动ω_2n或者上下模态振动x_1n或者扭转模态振动ω_1n的固有频率与fn相等，由此吸振单元的多阶模态振动频率和被控对象的多个固有振动频率匹配fn之间匹配。

在本实施例中进行多频振动的减振时，首先要对被控对象的振动响应情况进行测试分析，提取出振动响应中最显著的几个振动频率值f1、f2、…、fn、。依据这些频率值进行多频动力吸振器的设计，主要包括合理匹配各个质量块一4的总质量和质量分布特性即调整质量和尺寸，以及连接部8尺寸、刚度和质量，并合理匹配质量块4和连接部8之间的空间角度α_n。在本实施例中，采用有限元方法进行设计匹配。该动力吸振器的三个显著模态频率，可以采用以下表达式表示：

在建立该动力吸振器的有限元模型时，质量块4的总质量和质量分布、连接部8的长度和外形尺寸、质量块4与连接部8的角度α_n都是设计变量，通过不断地迭代优化，可以匹配出动力吸振器的多个特征值，及模态频率。

如图2和图3所示，一种多频动力吸振器，包括至少一个吸振单元、一个固定单元，所述固定单元一端和被控对象固定连接，吸振单元包括连接部8和质量块4，连接部8一端和固定单元刚性连接，另一端和质量块4的一端刚性连接并具有刚性连接点A，连接部8和质量块4以刚性连接点A为顶点呈一定空间角度；所述固定单元的刚度大于吸振单元的刚度。

所述连接部8为一个圆柱体或者长方体状的刚性悬臂梁，悬臂梁一端和质量块4一端通过螺纹连接或压铆连接，所述固定单元的刚度大于悬臂梁的刚度。在本实施例中，悬臂梁采用不锈钢、铝合金等刚性材料制成，质量块4用不锈钢、铝合金或铸铁制成，固定单元的等效刚度大于连接部8和质量块4的等效刚度，使得被控对象的振动频率能近乎等效传递至连接部8和质量块4上，减少频率匹配时的误差影响。一般地，用钢丝绳作为悬臂梁材料，不但能匹配出合理的刚度，还可以为动力吸振器提供高阻尼，提高吸振器消耗振动能量的能力。

为了尽可能少地消耗材料的同时，能将质量块4的重心分配到连接部8的外部，所述质量块4为两端尺寸较大中间尺寸较小呈哑铃状。在本实施例中，质量块4为两端为立方体状，中间为圆柱体状，整体一体成型。

所述固定单元包括连接螺纹1、紧固螺母2、支撑柱3、下夹板6、上夹板7；所述支撑柱3一端通过连接螺纹1、紧固螺母2与被控对象固定连接，另一端与下夹板6和上夹板7固定连接，下夹板6和上夹板7将连接部8一端夹紧并固定，下夹板6和上夹板7的刚度大于连接部8的刚度。

在本实施例中，下夹板6与支撑柱3刚性连接，下夹板6和上夹板7的内表面带有半圆截面的沟槽，连接部8通过外表面与上、下夹板6和7上的沟槽相配合，夹紧螺钉10将下夹板6和上夹板7夹紧并固定，从而将连接部8夹紧并固定。

为了提高动力吸振器的阻尼耗能能力，可在连接部8的表面增加约束阻尼层，如图4所示。所述连接部8的外表面覆盖约束阻尼层，包括阻尼层一11和阻尼层二12，阻尼层一11为易剪切变形的材料制成并覆盖在连接部8的外表面，阻尼层二12为刚性材料制成的薄板并覆盖在阻尼层一11的外表面。阻尼层11的材料为橡胶材料或其它高分子阻尼材料，约束阻尼层材料为不锈钢薄板。连接部8的振动带动阻尼材料11发生运动，由于受到约束阻尼层12的限制，阻尼层11发生剪切变形，从而产生较大的阻尼，消耗振动能量。

为了对被控对象的多个固有振动频率匹配吸收，多个吸振单元通过各自的连接部8均匀分布地和固定单元固定连接，各个吸振单元的连接部8的刚度、质量、尺寸相互间不等，各个吸振单元的质量块4之间的刚度、质量、尺寸相互间不等。在本实施例中，固定单元上固定分布两个吸振单元，质量块4和质量块二5的结构形式相同，但尺寸和质量不一定相同，可根据实际需要进行改变。连接部8和连接部二9的尺寸和刚度也不一定相同，每一组质量块的质量和悬臂梁的刚度可根据频率调谐的需要进行匹配，使得动力吸振器的每一阶固有频率与振动主结构受到的振动激励频率相同或接近。每个吸振单元的与固定单元的连接方式采用相同的刚性连接方式。

通过上述多频动力吸振方法，采用上述多频动力吸振器对被控对象进行频率匹配吸收，能很好的吸收被控对象的多种固有振动频率如图5所示。并且作为基本的吸振单元即有三阶模态振动，相比现有技术的多频动力吸振器能减少吸振单元的分布数目。吸振单元和固定单元间的刚性连接、吸振单元中连接部8和质量块4之间相对位置固定，将结构简单化省去了细小部件，使得结构间连接稳固，并同时减小了因部件间的间隙窜动而导致频率匹配的误差影响。

显然，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。