阅读说明：本技术 几何非线性隔振系统 (Geometric non-linear vibration isolation system ) 是由 张家铭 黄谢恭 杨卓谚 于 2018-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种几何非线性隔振系统,其包括一承载台、一隔振器及一阻尼件。该隔振器连接该承载台,用以于承载台与隔振器间产生水平相对位移时提供一恢复力。该阻尼件铰接至该承载台,且阻尼件的轴线与水平方向呈正交或斜交。据此,当该承载台与该隔振器间沿该水平方向产生相对位移时,该阻尼件的该轴线与该水平方向间的夹角会随之改变,且该阻尼件会沿着平行该轴线的方向提供一阻尼力,以提升水平隔振效果。(The invention provides a geometric non-linear vibration isolation system which comprises a bearing platform, a vibration isolator and a damping piece. The vibration isolator is connected with the bearing platform and is used for providing restoring force when horizontal relative displacement is generated between the bearing platform and the vibration isolator. The damping piece is hinged to the bearing table, and the axis of the damping piece is orthogonal or oblique to the horizontal direction. Therefore, when the plummer and the vibration isolator generate relative displacement along the horizontal direction, the included angle between the axis of the damping piece and the horizontal direction can be changed along with the displacement, and the damping piece can provide a damping force along the direction parallel to the axis so as to improve the horizontal vibration isolation effect.)

几何非线性隔振系统

技术领域

本发明涉及一种几何非线性隔振系统，尤其涉及一种几何非线性的水平向隔振系统。

背景技术

近年来，为降低地震所带来的灾害及损失，目前已积极发展出各种隔振技术。尤其，当厂房中的精密仪器或设备受到地震破坏时，其损失往往甚至超过建筑物本身的价值，因此发展一种可有效降低厂房内仪器或设备遭地震破坏的隔振技术是相当重要的。

现有的许多隔振系统大多会利用阻尼件，以提高系统受震时的消能能力，其阻尼件一般会采平行于运动方向的装设方式，以达最大消能的目的。如图1所示的现有技术的水平向隔振系统100示意图，其隔振平台11通过水平向装设的阻尼件13及弹性件15，以达水平方向上的消能减振目的。然而，该现有技术的水平向隔振系统100采线性隔振机制，其具有固定的隔振频率，当外来振动力接近系统的自然频率时，此隔振系统很可能会发生共振效应，使得隔振平台11于水平方向上的位移及加速度产生放大反应，导致减震效果不佳。

有鉴于此，目前亟需发展能够有效避免共振的非线性隔振系统，以降低隔振系统本身的共振特性，避免共振产生的过分放大反应，进而突破传统线性隔振系统的限制，以实现大范围频率隔振，提高隔振效果。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种几何非线性隔振系统，其通过垂直或斜向设置阻尼件的方式，以达到非线性隔振效果，进而可减低隔振系统本身的共振特性，避免共振产生的过分放大效果，俾可有效减低待隔振体受到水平向振动波的破坏。

为达上述目的，本发明提供的几何非线性隔振系统包括：一承载台，用以供一待隔振体安设于上；一隔振器，其连接该承载台，且该隔振器与该承载台间组接成一复位机构，用以于该承载台与该隔振器间沿一水平方向产生相对位移时提供一恢复力；以及一阻尼件，其铰接至该承载台，于未受外力作用下，该阻尼件的一轴线与该水平方向呈正交或斜交，当该承载台与该隔振器间沿该水平方向产生相对位移时，该阻尼件的该轴线与该水平方向间的夹角会随之改变，且该阻尼件会沿着平行该轴线的方向提供一阻尼力。

据此，本发明的几何非线性隔振系统可应用于设备物(如精密仪器或设备)的隔振，其可通过复位机构提供恢复力，并利用正交或斜交设置的阻尼件，达到非线性隔振效果，以减低待隔震体于水平方向上的振动程度，避免待隔振体受到水平向振动波的严重破坏。

于本发明中，该复位机构可为任何能提供水平复位功能的机构。例如，本发明一优选实施方案即是利用滑动式复位机构，其复位机构由至少一滑槽及至少一滑动件所构成，且该滑槽具有一凹弧面，而该滑动件则可滑动地抵靠并接触于滑槽的凹弧面。借此，于未受外力作用(如地震力)的初始状态时，滑动件位于凹弧面的最凹点位置处，当系统受到外力作用时，承载台与隔振器间可利用弧线滑动配合，以达到位移后复位的效果。

于本发明中，该隔振器可设于该承载台下方，且阻尼件的相对两端可分别铰接至承载台及隔振器。更进一步举例说明，该隔振器可包括一支承座及上述滑动件，而上述滑槽则可形成于承载台的底侧，其中该支承座可具有一底台及直立固定于底台上的至少一支撑件，而滑动件可设于支撑件的顶端，并位于支承座与滑槽之间。借此，该阻尼件的相对两端可分别铰接至承载台及隔振器的底台，以垂直设置或斜向设置于承载台与底台之间。

于本发明中，当阻尼件以轴线与水平方向呈正交的方式装设于系统中时，随着承载台与隔振器间的相对位移量越大，该阻尼件的拉伸量会越大，且阻尼件的轴线斜率会越小(亦即，阻尼力的水平分量所占比例会越大)。借此，在中、小地震位移较小的情况下，该阻尼件可提供相对较小的阻尼比，有效发挥隔振系统原有的效能，最大化隔振系统的效果；在大地震位移较大的情况下，该阻尼件可提供相对较大的阻尼比，将可有效控制隔振层位移，提供有效的消能机制。

于本发明中，“轴线斜率”以相对于水平方向作为定义基础。举例说明，当阻尼件的轴线平行于水平方向时，则该轴线的斜率定义为0，当阻尼件的轴线斜率越大时，此表示阻尼件所提供的阻尼力的水平分量会越小。

为让上述目的、技术特征、和优点能更明显易懂，下文以优选实施例配合所附附图进行详细说明。

附图说明

图1为现有技术的水平向隔振系统示意图；

图2为本发明实施例1中，几何非线性隔振系统的示意图；

图3为本发明实施例1中，几何非线性隔振系统于外力作用下的位移状态示意图；

图4为本发明实施例2中，几何非线性隔振系统的示意图；

图5至图7为本发明实施例2中，几何非线性隔振系统于外力作用下的位移状态示意图；

图8为水平装设阻尼件与垂直装设阻尼件的系统加速度反应结果图；

图9为水平装设阻尼件与垂直装设阻尼件的系统位移反应结果图。

【符号说明】

隔振系统 100、200、300

隔振平台 11

阻尼件 13、60

弹性件 15

承载台 20

滑槽 21

隔振器 40

支承座 41

底台 411

支撑件 413

滑动件 43

水平方向 D

待隔振体 M

轴线 X

第一接点 P1

第二接点 P2

铰接长度 L_o

拉伸长度 L_d

压缩长度 L_c

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明其他优点与功效。至少需注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的元件数目、形状及尺寸可依实际实施状况而随意变更，且元件布局状态可更为复杂。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

[实施例1]

请参见图2，其为本发明一具体实施例的几何非线性隔振系统200示意图。如图2所示，本具体实施例的几何非线性隔振系统200包括一承载台20、一隔振器40及一阻尼件60，其中承载台20用以供一待隔振体M安设于上，且承载台20与隔振器40间组接成一复位机构，使得承载台20与隔振器40间可产生水平相对位移后复位的机制，以降低并隔绝水平振动的传递，而阻尼件60则与承载台20铰接，用以于承载台20与隔振器40间产生水平相对位移时提供阻尼力。本实施例的一特点在于，于未受外力作用(如地震力)的初始状态时，该阻尼件60的轴线X与承载台20的水平方向D呈正交(请见图2)，当承载座20与隔振器40因外力作用而产生水平相对位移时，阻尼件60的轴线X与承载台20的水平方向D间的夹角会随之改变，且阻尼件60会沿着平行该轴线X的方向提供一阻尼力(请见图3)。

下文将逐一详细说明本实施例几何非线性隔振系统200的主要构件结构及其连接关系。在此，本实施例以滑动式复位机构作进一步的示例性说明，然本发明的复位机构亦可根据实际需求而设计成任何具有水平复位功能其他机构，例如，亦可利用弹簧或金属的弹性形变恢复力，以提供水平复位功能。

本具体实施例的隔振器40包含有一支承座41及两滑动件43，其中支承座41具有一底台411及直立固定于底台411上的两支撑件413，且两滑动件43分别设于两支撑件413的顶端，并可滑动地顶靠于承载台20的底侧。更进一步说，承载台20底侧形成具有凹弧面之滑槽21，而滑动件43则可滑动地抵靠并接触于滑槽21的凹弧面。于未受外力作用(如地震力)的初始状态时，所述滑动件43位于滑槽21的最凹点位置处(请见图2)，当系统受到外力(如地震力)作用时，承载台20与隔振器40间会通过滑动机制而产生水平相对位移(请见图3)，而滑槽21的凹弧面设计可提供位移后复位的作用，以降低振动波于水平方向上对待隔振体M造成的影响。此外，由于阻尼件60的相对两端分别铰接至承载台20及隔振器40的底台411，因此当承载台20相对于隔振器40水平位移时，阻尼件60的相对两端间亦会随之产生水平相对位移，进而导致阻尼件60由正交初始状态(请见图2)变成斜交拉伸状态(请见图3)，借此，呈斜交拉伸状态的阻尼件60便可沿着平行该轴线X的方向提供阻尼力，而阻尼力的水平分量可吸收水平方向传递振动的能量，以达到减振与隔振的功效。

更进一步说，于未受外力作用(如地震力)下，该阻尼件60呈垂直设置于承载台20与底台411间的初始状态，其铰接至该承载台20的第一接点P1与铰接至该底台411的第二接点P2间的铰接长度为L_o(请见图2)，当承载台20与隔振器40间因外力作用而沿水平方向D产生相对位移时，阻尼件60的第一接点P1至第二接点P2的长度会被拉伸至拉伸长度L_d(请见图3)，其中承载台20与隔振器40间的水平相对位移量越大时，阻尼件60的拉伸量(L_d-L_o)会越大，而阻尼件60的轴线X斜率则会越小(亦即，阻尼力的垂直分量与水平分量间的比值会较小)，反之，承载台20与隔振器40间的水平相对位移量越小时，阻尼件60的拉伸量(L_d-L_o)会越小，而阻尼件60的轴线X斜率则会越大(亦即，阻尼力的垂直分量与水平分量间的比值会较大)。据此，由于阻尼件60所提供的水平向阻尼力呈三角函数关系的非线性变化，故可降低隔振系统本身的共振特性，避免共振产生的过分放大反应，进而突破传统线性隔振系统的限制。在此，阻尼件60的铰接长度L_o及阻尼系数C将影响系统的消能隔振效果，故可依需求作适当的参数设计，以实现所需的隔振效果。此外，于现有技术的水平向装设阻尼件的隔振系统中，水平向阻尼件的初始位置必须设于一半冲程位置处，以因应不同水平振动方向下所产生的拉伸与压缩行为；然而，于垂直向装设阻尼件的隔振系统中，由于无论水平振动方向为何，其阻尼件皆呈拉伸变化，因此可将垂直向阻尼件的初始位置设于冲程的最低点。借此，相较于水平向装设阻尼件的现有技术，由于垂直向装设的阻尼件所需冲程较小，故本发明的隔振系统可选用较短冲程的阻尼件，以降低系统成本。

[实施例2]

为了简要说明的目的，实施例1中任何可作相同应用的叙述皆并于此，且无须再重复相同叙述。

请参见图4，其为本发明另一具体实施例的几何非线性隔振系统300示意图。本具体实施例的几何非线性隔振系统300与实施例1所示大致相同，只是差异处在于，本具体实施例的阻尼件60斜向设置于承载台20与底台411之间。

更详细地说，如图4所示，于未受外力作用(如地震力)下，该阻尼件60的轴线X与水平方向D呈斜交，且滑动件43位于滑槽21的最凹点位置处。当承载台20与隔振器40间因外力作用而朝如图5所示的箭头方向相对移动时，阻尼件60的第一接点P1至第二接点P2的长度会由原铰接长度L_o被拉伸至拉伸长度L_d，其中承载台20与隔振器40间的水平相对位移量越大时，阻尼件60的拉伸量(L_d-L_o)会越大，且阻尼件60的轴线X斜率则会越小(亦即，阻尼力的垂直分量与水平分量间的比值会较小)。此外，当承载台20与隔振器40间因外力作用而朝如图6所示的箭头方向相对移动时，阻尼件60的第一接点P1至第二接点P2的长度会由原铰接长度L_o被压缩至压缩长度L_c，且阻尼件60的轴线X斜率会随位移量增加而变大至阻尼件60呈如图6所示的垂直状态，此时的阻尼件60达冲程的最低点。随着隔振器40继续朝如图7所示的箭头方向相对移动时，阻尼件60的轴线X斜率会随位移量增加而变小，且阻尼件60会由如图6所示的压缩长度L_c恢复至图7所示的铰接长度L_o，当朝同一方向继续加大位移量时，阻尼件60会再由铰接长度L_o拉伸至拉伸长度L_d(图未示)。

[模拟分析]

本模拟分析是以图2所示的几何非线性隔振系统，于L_o为0.25公尺、待隔振体M为5公吨、隔振器40的周期为2秒的假设条件下，进行多自由度结构地震反应分析，并以传统水平向隔振系统作为比较组。在此，本分析以减低待隔振体的加速度为设计目标，利用non-smooth H_∞synthesis作为控制设计方法，以得到设计阻尼比。传统水平向隔振系统与几何非线性隔振系统的差异在于，传统水平向隔振系统的阻尼件以水平装设方式连接承载台，其阻尼系数以该设计组尼比结合线性分析方式而获得，而几何非线性隔振系统则以等效线性的随机振动理论(Random Vibration)求得阻尼系数。于模拟分析时，几何非线性隔振系统通过非线性模拟产生待隔振体的加速度与位移反应，而传统水平向隔振系统则通过线性模拟产生待隔振体的加速度与位移反应，其结果如图8及9所示。

分析结果显示，相较于传统水平向隔振系统(图中以“水平装设阻尼件”标明，阻尼系数＝0.62833)，几何非线性隔振系统(图中以“垂直装设阻尼件”标明，阻尼系数＝1)中的待隔振体加速度更低(如图8)，且所产生的位移亦更加减低(如图9)。由此可知，几何非线性隔振系统相较于传统水平向隔振系统更具优势。

综上所述，本发明的几何非线性隔振系统可应用于设备物(如精密仪器或设备)的隔振，其通过垂直或斜向设置阻尼件的方式，以产生非线性的隔振机制，进而可有效减低隔振系统本身的共振特性，避免共振产生的过分放大效果。在中、小地震位移较小的情况下，正交或斜交设置的阻尼件可提供相对较小的阻尼比，有效发挥隔振系统原有的效能，最大化隔振系统的效果。在大地震位移较大的情况下，正交或斜交设置的阻尼件可提供相对较大的阻尼比，将可有效控制隔振层位移，提供有效的消能机制。

上述实施例仅用来例举本发明的实施方案，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何本领域技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求书与说明书为准。