1.本发明涉及一种结构的减振耗能装置，特别是涉及一种具有二维非线性能量阱装置及吸振、耗能方法，属于非线性能量阱装置，具体的说是土木工程结构减振技术领域。


背景技术：

2.非线性能量阱是一种被动控制技术，主要有较轻的质量、强非线性刚度和阻尼元件组成。非线性能量阱可以和主振动结构发生一系列模态的瞬时共振捕获，从而具有较宽的减振频带，能实现主结构能量向非线性能量阱质量的定向传输，在一定参数范围内，振子能够快速、高效、不可逆地吸收和耗散主结构宽频的、瞬态的冲击能量。具有双稳态结构的非线性能量阱，其振子可以在两个稳态之间能快速振荡，从而吸收更高的能量，同时在宽频范围上也表现出显著的运动。
3.现有的非线性能量阱装置，其振子多数在方向单一的轨道上进行往复运动，在安装到主结构时，需要对主结构的主要振动方向进行判别，然后将非线性能量阱在对应布置。然而在受到风振、地震等，主结构所受到的振动可能来自四面八方，单方向的非线性能量阱或者它们的叠加均较难实现对二维平面内随机方向的吸振及耗能。
4.本发明是一种最具前景的结构吸振、减振耗能装置，能够在二维平面内随机的方向进行吸振及耗能，将在土木工程领域减振方面具有广泛应用的前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种二维磁力型非线性能量阱装置及方法。非线性能量阱装置下设转动底盘，主结构在受到振动时，非线性能量阱可以自动转动，并在振动方向上进行吸振和耗能。非线性能量阱装置采用永磁铁提供恢复力，同时设置了调节永磁铁位置的导轨和滑台；设置了减少非线性能量阱在转动底盘上晃动的弹簧卡和多边轮组；设置了可以调节振子质量的振子和调节滑动摩擦耗能的摩擦导轨。这种非线性能量阱装置可以应用在土木工程结构领域的二维吸振与减振中。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种二维磁力型非线性能量阱装置，其特征在于：包括底座、转动底盘、多边轮组、弹簧卡、摩擦导轨、短导轨、永磁体ⅰ、永磁体ⅱ、振子、平台板；平台板包括一根y向条形板以及两根x向条形板，两根x向条形板固定安装于y向条形板的中间位置两侧，两根x向条形板位于同一直线上，x向条形板与y向条形板相互垂直；转动底盘包括齿圈、滑轮组、齿轮，齿圈内圈具有一圈齿牙，齿圈外圈一周安装有若干滑轮组，滑轮组限位于齿圈外圈上移动，y向条形板固定安装于所述若干滑轮组上，齿圈内具有两个与其啮合的齿轮，两个齿轮沿齿圈径向对称布置；多边轮组安装于y向条形板上，包括多边形轮和传力轴，y向条形板上齿轮位置开设有通孔，传力轴贯穿于通孔，其一端固定于齿轮中心位置，另一端固定于多边形轮中心位置；
弹簧卡包括外壳、卡头、弹簧，外壳位于y向条形板上，弹簧位于外壳内，卡头上具有限位于外壳内的伸缩轴，伸缩轴与弹簧一端接触，卡头受到弹簧的推力与多边形轮接触；y向条形板的两侧各设有一根摩擦导轨，摩擦导轨包括长导轨和摩擦皮，摩擦皮位于长导轨内；y向条形板两端的摩擦导轨上各设有一个永磁体ⅰ；y向条形板的中间位置的摩擦导轨上还设有沿摩擦导轨移动的振子；x向条形板的两侧各设有一根短导轨；x向条形板两端的短导轨上各设有一个永磁体ⅱ；振子在y向两侧与永磁体ⅰ相斥，振子在x向两侧与永磁体ⅰ相斥。
7.作为更进一步的优选方案，y向条形板上的齿轮上方位置开设有通孔，轴承安装于通孔中，传力轴贯穿于轴承。
8.作为更进一步的优选方案，弹簧另一端的外壳上开设有螺纹孔，螺纹孔中设有调节螺栓，调节螺栓的端面与弹簧另一端接触。
9.作为更进一步的优选方案，多边形轮为正八边形。作为更进一步的优选方案，永磁体ⅰ包括永磁块ⅰ、支撑板ⅰ、滑台ⅰ、锁紧螺栓ⅰ，永磁块ⅰ安装在支撑板ⅰ上，支撑板ⅰ底部通过螺栓安装有两个滑台ⅰ；一个滑台ⅰ对应一根摩擦导轨，滑台ⅰ上设有螺纹通孔，锁紧螺栓ⅰ对应穿过，并对摩擦导轨施加压力，锁定永磁体ⅰ在摩擦导轨上。
10.作为更进一步的优选方案，永磁体ⅱ包括永磁块ⅱ、支撑板ⅱ、滑台ⅱ、锁紧螺栓ⅱ，永磁块ⅱ安装在支撑板ⅱ上，支撑板ⅱ底部通过螺栓安装有两个滑台ⅱ；一个滑台ⅱ对应一根短导轨，滑台ⅱ上设有螺纹通孔，锁紧螺栓ⅱ对应穿过，并对短导轨施加压力，锁定永磁体ⅱ在短导轨上。作为更进一步的优选方案，所述振子包括支撑架、永磁块ⅲ、永磁块ⅳ、滑台ⅲ、摩擦螺栓、质量块，滑台ⅲ通过摩擦螺栓安装在支撑架上，滑台ⅲ于长导轨上移动，支撑架上的一组对边上各设有一个永磁块ⅲ，另一组对边上各设有一个永磁块ⅳ，质量块位于支撑架中心；支撑架具有通孔，滑台ⅲ对应设有螺纹通孔；一个滑台ⅲ对应一根摩擦导轨，摩擦螺栓穿过支撑架的通孔和滑台ⅲ的螺纹通孔，与摩擦皮接触，摩擦螺栓上位于支撑架上部还设有用于锁紧的螺母，在振子滑动时，摩擦螺栓顶端与摩擦皮产生滑动摩擦力。
11.作为更进一步的优选方案，所述的磁力型非线性能量阱装置除永磁块ⅰ~ⅳ外均采用非磁性材料制作。
12.步骤一：调节卡头压力：旋转调节螺栓，使卡头在弹簧的作用下，对多边形轮施加一定的推力；步骤二：布置永磁体组件：调节永磁体ⅰ在摩擦导轨、永磁体ⅱ在短导轨（6）上的位置，拧紧锁紧螺栓ⅰ和锁紧螺栓ⅱ，固定永磁体ⅰ和永磁体ⅱ；步骤三：调节振子质量和摩擦力：选择一定数量的质量块螺栓连接在支撑架上，并调节摩擦螺栓，对摩擦皮施加一定的压力，并锁紧摩擦螺栓上的螺母；步骤四：主结构在平面内发生振动时，底座受到主结构传来的振动波，振子相对于转动底盘的中心产生一定的力矩，并在一定振幅内使得平台板相对底座旋转，转动过程中，多边轮组的多边形轮不断转动，受到弹簧卡的挤压，消耗旋转晃动力，平台板转动，逐渐使摩擦导轨平行于振动波传来的方向；受振动波的作用，同时受到摩擦导轨两端永磁体ⅰ相斥
的磁力，振子沿摩擦导轨往复移动；振子还受到短导轨两端永磁体ⅱ的非线性相斥磁力，使得振子与主结构产生共振时，具有更好的鲁棒性，形成非线性能量阱结构；振子逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦轨道的往复运动，并最终通过摩擦把振子的振动能量消耗。
13.有益效果：与现有的减振耗能装置相比，本发明具有以下优势：1)通过在主结构上安装该非线性能量阱装置，可以根据主结构的平面振动的方向，转动非线性能量阱平台，在二维平面任意方向实现振动能量的吸收与耗散。
14.2)该装置振子磁铁与外围磁铁相斥布置，不但利用了双稳态非线性能量阱的优点，而且使非线性能量阱结构在稳态时具有偏心质量，利于根据主结构的振动方向发生转动。
15.3)该装置多边轮组的设置，可以使非线性能量阱在一定振幅内发生转动后，减小旋转晃动，同时齿轮、传力轴和轴承将振动能量由转动底盘传至平台板。
16.4)该非线性能量阱装置可以根据主结构的特性调整永磁块间的磁力大小以及振子质量的大小，使得该装置可以有包含主结构自振频率内的吸振带以及更优越的鲁棒性能。
17.5)该非线性能量阱装置除设置摩擦皮提供阻尼耗能外，还可以在磁铁振子的运动方向设置阻尼器实现不同程度的能量耗散。
附图说明
18.图1为本发明一种二维磁力型非线性能量阱装置示意图；图2为本发明底座、转动底盘装置示意图；图3为本发明平台板、多边轮组、摩擦导轨、短导轨装置示意图；图4为本发明弹簧卡装置示意图；图5为本发明永磁体ⅰ、永磁体ⅱ装置示意图；图6为本发明振子装置示意图；图7为本发明双稳态非线性能量阱装置中振子稳态位置示意图；图中有：底座1、转动底盘2、多边轮组3、弹簧卡4、摩擦导轨5、短导轨6、永磁体ⅰ7、永磁体ⅱ8、振子9、平台板10；齿圈21、滑轮组22、齿轮23；多边形轮31、传力轴32、轴承33；外壳41、卡头42、弹簧43、调节螺栓44；长导轨51、摩擦皮52；永磁块ⅰ71、支撑板ⅰ72、滑台ⅰ73、锁紧螺栓ⅰ74；永磁块ⅱ81、支撑板ⅱ82、滑台ⅱ83、锁紧螺栓ⅱ84；支撑架91、永磁块ⅲ92、永磁块ⅳ93、滑台ⅲ94、摩擦螺栓95、质量块96。
具体实施方式
19.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。
20.本发明的一种二维磁力型非线性能量阱装置，该装置包括有与外部主结构相连的底座1；安装在底座上的转动底盘2，转动底盘2通过滑轮组22与平台板10相连；转动底盘2内设有齿轮23，齿轮23通过穿过平台板10的传力轴32与多边形轮31同轴转动；在平台板10上布置有弹簧卡4，弹簧卡卡头42对多边轮组3施加一定的弹簧力；在平台板10上y方向设置有
较长的摩擦导轨5，摩擦导轨5的两端各布置一个永磁体ⅰ7；在平台板10 x方向设置有短导轨6，短导轨6分布在摩擦导轨5的两侧，并在短导轨6上面各布置一个永磁体ⅱ8；振子9布置在摩擦导轨5上，沿y正负方向滑动。
21.所述的转动底盘2固定连接在底座1上，转动底盘2外侧设置滑动轨道，滑动轨道上布置若干滑轮组22，滑轮组22的支架螺栓固定在平台板10上；转动底盘2内侧设置齿圈21，与齿圈21啮合设有两个齿轮23，齿轮23沿齿圈径向对称布置。
22.所述的多边轮组3在y方向通过传力轴32穿过平台板10，平台板10对称开设两个圆孔，圆孔中各设置一个轴承33，传力轴32与平台板10上的多边形轮31和平台板10下的齿轮23通过键连接。
23.所述的弹簧卡4，通过螺栓固定在平台板10上，由外壳41、卡头42、弹簧43以及调节螺栓44组成，卡头42对多边形轮31施加一定的弹簧力，弹簧力的大小可以通过调节螺栓44调整。
24.所述的摩擦导轨5由长导轨51和摩擦皮52组成，长导轨51螺栓固定在平台板10上，摩擦皮52粘贴在长导轨51槽内侧，两根摩擦导轨5沿y方向平行布置。
25.所有的短导轨6沿x方向对称布置在摩擦导轨5两侧，两侧各有两根短导轨6，它们均螺栓固定在平台板10上。
26.所述的永磁体ⅰ7由永磁块ⅰ71、支撑板ⅰ72、锁紧螺栓ⅰ74和滑台ⅰ73组成，对称布置在摩擦导轨5的两端，支撑板ⅰ72通过螺栓连接永磁块ⅰ71和滑台ⅰ73，滑台ⅰ73上设置的锁紧螺栓ⅰ74，可以将永磁体ⅰ7锁定在摩擦导轨5上。所述的永磁体ⅱ8由永磁块ⅱ81、支撑板ⅱ82、锁紧螺栓ⅱ84和滑台ⅱ83组成，对称布置在摩擦导轨5两侧的短导轨6上，支撑板ⅱ82通过螺栓连接永磁块ⅱ81和滑台ⅱ83，滑台ⅱ83上设置的锁紧螺栓ⅱ84，可以将永磁体ⅱ81，锁定在短导轨6上。
27.所述的振子9由支撑架91、永磁块ⅲ92、永磁块ⅳ93、滑台ⅲ94、摩擦螺栓95和质量块96组成，永磁块ⅲ92、永磁块ⅳ93和滑台ⅲ94螺栓连接在支撑架91上，永磁块ⅲ92沿y方向对称布置，永磁块ⅳ93沿x方向对称布置，滑台ⅲ94置于摩擦导轨5上，通过调节摩擦螺栓95，可以对摩擦皮52施加不同的压力，实现不同的摩擦阻尼力。若干质量块96布置在支撑架91中间，由螺栓连接，通过安装不同数量的质量块96，可一定范围内调节振子9的质量大小。
28.所述的永磁块ⅰ71、永磁块ⅱ81、永磁块ⅲ92、永磁块ⅳ93均沿大面法向充磁，永磁块ⅰ71与永磁块ⅲ92相斥，永磁块ⅱ81与永磁块ⅳ93相斥。
29.所述的磁力型非线性能量阱装置除永磁块外均采用非磁性材料制作。
30.下面结合附图，通过实施例进一步讲述本发明的形成方法：实施例：如图1~7所示，本实施例为一种二维磁力型非线性能量阱装置示意图，该装置底座1与外部主结构螺栓连接；安装在底座1上的转动底盘2通过滑轮组22与平台板10相连；转动底盘2内设有齿轮23，齿轮23通过穿过平台板10的传力轴32与多边形轮31同轴转动；在平台板10上布置有弹簧卡4，旋转调节螺栓44，使弹簧卡卡头42对多边轮组3施加一定的弹簧力；在平台板10上y方向设置有较长的摩擦导轨5，摩擦导轨5的两端各布置一个永磁体ⅰ7；在平台板10 x方向设置有短导轨6，短导轨6分布在摩擦导轨5的两侧，并在短导轨6上面各布置一个永磁体ⅱ8；振子9布置在摩擦导轨5上，沿y正负方向滑动。分别沿摩擦导轨5和短导轨6调节永磁体ⅰ7、永磁体ⅱ8的位置，并将锁紧螺栓ⅰ74和锁紧螺栓ⅱ84锁紧。选择
一定数量的质量块96螺栓连接在振子上，并调节摩擦螺栓95，对摩擦皮52施加一定的压力。如图7所示，振子9处于稳态位置a或者b，即振子9在a、b处受磁力平衡。主结构在平面内发生振动时，振子9相对于转动底盘2产生一定的力矩并在一定振幅内使得平台板10相对底座1旋转，转动过程中，多边轮组3的多边形轮31不断转动，受到弹簧卡4的挤压，消耗旋转晃动力，平台板10转动，逐渐使摩擦导轨5平行于振动波传来的方向；受振动波的作用，同时受到摩擦导轨5两端永磁体ⅰ7相斥的磁力，振子9沿摩擦导轨5往复移动；振子9还受到短导轨6两端永磁体ⅱ8的非线性相斥磁力，使得振子9与主结构产生共振时，具有更好的鲁棒性，形成非线性能量阱结构；振子9逐渐在主结构振动方向发生沿摩擦轨道5的往复运动，并最终通过摩擦把振子9的振动能量消耗。
31.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。