一種擺式電渦流TMD磁路構造設計方法及裝置與流程

2023-08-22 17:48:36 1

本發明屬於結構振動控制技術領域，具體涉及一種擺式電渦流TMD磁路構造及設計方法。

背景技術：

超高層建築在風荷載作用下容易發生大幅度振動導致舒適度問題，為了提高該類結構的風振舒適度，許多超高層建築已採用大型擺式調諧質量阻尼器(TMD)減振。大型擺式TMD阻尼元件多採用液體粘滯阻尼器，但該類阻尼器粘性流體隨著時間的推移可能會存在洩漏、阻尼參數後期調節困難、內部熱量不易耗散、長期性能難以保障等不足。電渦流阻尼作為替代方案可以解決這一問題。

根據擺式電渦流TMD阻尼比的計算公式可知，為滿足大型工程結構所要求阻尼比，擺式電渦流TMD需要產生較大的阻尼力。如上海中心大廈已成功採用大型擺式電渦流TMD作為其吸能減振裝置，TMD質量塊為1000t，設計頻率為0.111Hz，計算擺長為20.6m。然而，對擺式電渦流TMD最優磁路構造並未有相關報導與明確結論。

公告號為CN 103132628A的「擺式電渦流調諧質量阻尼器裝置」專利公開了一種阻尼調節範圍大的擺式電渦流TMD，該發明永磁體N極S極在同一工作面上間隔排列，一個S極向外的永磁體旁邊為一個磁極相反的永磁體，永磁體尺寸和厚度根據磁能量的需求確定，銅板和導磁鐵板的尺寸和厚度根據磁能量的需求和TMD整體阻尼比確定。但未能明確永磁體最優排列方式，以及銅板和鐵板最優厚度。

公告號為CN 203784189U的「懸吊式電渦流調諧質量阻尼器裝置」專利公開了一種阻尼調節簡便的懸吊式電渦流TMD。該發明通過升降支撐杆來調節銅板與永磁體的匹配位置，進而調節阻尼係數，通過加減導磁鐵板可以調節鐵板厚度，但鐵板最優厚度未進行說明，銅板厚度和永磁體最優排列方式也未進行說明。因此，精確調節到所需阻尼比存在一定困難。

公告號為CN 104372870A的「一種擺式電渦流調諧質量阻尼器減振控制裝置」專利公開了一種阻尼係數調節方式簡單便捷的擺式電渦流TMD。該發明電渦流阻尼系統由永磁體、永磁體安裝板和導體板構成，通過改變永磁體數量、或改變永磁體安裝板厚度、或改變導體板厚度對阻尼係數進行調節。但該發明未能明確永磁體排列方式，導體板厚度等參數設計也未見說明。

公告號為CN 105138798A的「一種實現結構減振的擺式電渦流調諧質量阻尼器及方法」專利公開一種質量塊運動狀態穩定、頻率調節範圍大的擺式電渦流TMD。該發明通過改變渦流板與永磁體的間距使得阻尼器的阻尼比實現無級調節，永磁體按照擺動方向上磁極交替變化的規則進行設置，但是對永磁體最優排列方式以及如何達到最優均未見說明，也未明確渦流板厚度取值。

綜上可以看出，有必要對擺式電渦流TMD所需的電渦流阻尼器組件的最優磁路進行研發，使擺式電渦流TMD耗能效率達到最優。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的擺式電渦流TMD耗能效率低的問題和不足，提供一種擺式電渦流TMD磁路構造及設計方法及裝置。

本發明的技術方案是：一種擺式電渦流TMD磁路構造的設計方法，具體包括以下步驟：

確定電渦流TMD設計參數：質量m、振動頻率f與阻尼比ζ；

計算電渦流阻尼器等效阻尼係數目標值cTMD＝2m(2πf)ζ；

確定矩形永磁體型號與尺寸，永磁體長度與寬度記為b，高度記為h；

設計由4塊永磁體構成的電渦流阻尼器基準單元；

採用三維電磁場有限元分析方法計算電渦流阻尼器基準單元的等效粘滯阻尼係數cJ；

確定電渦流阻尼器基準單元的數量n＝cTMD/cJ，即永磁體總數量為4n。

所述的擺式電渦流TMD磁路構造的設計方法，所述計由4塊永磁體構成的電渦流阻尼器基準單元具體包括：沿TMD運動方向，相鄰永磁體磁極交錯布置，間距0.5b；沿垂直於TMD運動方向，相鄰永磁體磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板厚度不大於0.3h；第一導磁鋼板厚度不大於20mm，第二導磁鋼板厚度大於第一導磁鋼板厚度，且不小於h；永磁體組與導體銅板之間的淨間距取10mm。

所述的擺式電渦流TMD磁路構造的設計方法，具體為：通過三維電磁場有限元仿真得到的導體銅板受到的洛倫茲力F與導體銅板的速度v，計算出電渦流阻尼等效阻尼係數cJ

一種基於權利要1的設計方法設計的擺式電渦流TMD裝置，包括第一導磁鋼板1、永磁體2組、導體銅板3、第二導磁鋼板4，所述永磁體2組安裝在TMD運動質量塊底面的第一導磁鋼板1上，所述導體銅板3位於永磁體2組的下方，且與永磁體2組之間具有一定的磁場間隙，所述第二導磁鋼板4安裝在所述導體銅板3的底面；所述永磁體2橫截面為矩形，永磁體2長：寬：高為2:2:1，且磁極方向垂直於質量塊底面；永磁體2組由偶數個永磁體2組成，採用陣列方式布置；沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距0.5b，其中b表示永磁體2寬度，沿垂直於TMD運動方向，相鄰磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板3厚度不大於0.3h，其中h表示永磁體2高度；第一導磁鋼板1厚度不大於20mm，第二導磁鋼板4厚度大於第一導磁鋼板1厚度，且不小於h；所述永磁體2組與導體銅板3之間的淨間距不大於10mm。

所述的擺式電渦流TMD裝置，所述永磁體2中心開孔，採用螺栓固定在第一導磁鋼板1。

本發明的有益效果是：本發明顯著提高了電渦流阻尼的耗能效率，降低阻尼材料的使用量和成本費，與現有技術的某大型擺式電渦流TMD(質量1000噸)在位移較小範圍內時，採用8mm厚銅板和1800塊永磁體，使其阻尼比達到了4.5％相比，本發明，僅使用40塊永磁體即可達到7.81％阻尼比，大大降低了永磁體使用數量；本發明適用於具有不同型號與尺寸的永磁體的擺式電渦流TMD磁路設計，具有廣泛的適用性以及可操作性。運用本發明能夠快速精確的設計出耗能效率較好，滿足目標阻尼比參數的擺式電渦流TMD，且有助於提升工程實踐中擺式電渦流TMD的設計與製造水平。

附圖說明

圖1為本發明一種擺式電渦流調諧質量阻尼器的最優磁路構造示意圖；

圖2為本發明一種擺式電渦流調諧質量阻尼器的最優磁路永磁體排列方式示意圖；

圖3為等效阻尼係數隨導體銅板厚度的變化曲線；

圖4為本發明一種擺式電渦流調諧質量阻尼器磁路構造的設計方法流程圖；

圖5為等效阻尼係數隨附加鋼板厚度變化曲線；

圖6為等效阻尼係數與兩塊永磁體間距和排列方式的變化曲線；

圖7為本發明擺式電渦流TMD永磁體4塊磁路(a)構造示意圖；

圖8為本發明擺式電渦流TMD永磁體4塊磁路(b)構造示意圖；

圖9為等效阻尼係數隨垂直於TMD運動方向永磁體間距的變化曲線；

圖10為本發明擺式電渦流TMD永磁體8塊磁路構造示意圖；

圖11為本發明擺式電渦流TMD永磁體8塊磁路耦合分析曲線；

圖12為本發明擺式電渦流TMD永磁體16塊磁路構造示意圖；

圖13為等效阻尼係數隨16塊永磁體的耦合關係曲線；

圖中，1為第一導磁鋼板，2為永磁體，3為導體銅板，4為第二導磁鋼板。

具體實施方式

實施例1：結合圖1-圖13，一種擺式電渦流TMD磁路構造的設計方法，具體包括以下步驟：

確定電渦流TMD設計參數：質量m、振動頻率f與阻尼比ζ；

計算電渦流阻尼器等效阻尼係數目標值cTMD＝2m(2πf)ζ；

確定矩形永磁體2型號與尺寸，永磁體2長度與寬度記為b，高度記為h；

設計由4塊永磁體2構成的電渦流阻尼器基準單元，具體包括：沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距0.5b；沿垂直於TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板3厚度不大於0.3h；第一導磁鋼板1厚度不大於20mm，第二導磁鋼板4厚度大於第一導磁鋼板1厚度，且不小於h；永磁體2組與導體銅板3之間的淨間距取10mm。

採用三維電磁場有限元分析方法計算電渦流阻尼器基準單元的等效粘滯阻尼係數cJ，具體為：通過三維電磁場有限元仿真得到的導體銅板3受到的洛倫茲力F與導體銅板3的速度v，計算出電渦流阻尼等效阻尼係數cJ

確定電渦流阻尼器基準單元的數量n＝cTMD/cJ，即永磁體2總數量為4n。

一種基於權利要1的設計方法設計的擺式電渦流TMD裝置，包括第一導磁鋼板1、永磁體組、導體銅板3、第二導磁鋼板4，所述永磁體2組安裝在TMD運動質量塊底面的第一導磁鋼板1上，所述導體銅板3位於永磁體2組的下方，且與永磁體2組之間具有一定的磁場間隙，所述第二導磁鋼板4安裝在所述導體銅板3的底面；所述永磁體2橫截面為矩形，永磁體2長：寬：高為2:2:1，且磁極方向垂直於質量塊底面；永磁體2組由偶數個永磁體2組成，採用陣列方式布置；沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距0.5b，其中b表示永磁體2寬度，沿垂直於TMD運動方向，相鄰磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板3厚度不大於0.3h，其中h表示永磁體2高度；第一導磁鋼板1厚度不大於20mm，第二導磁鋼板4厚度大於第一導磁鋼板1厚度，且不小於h；所述永磁體2組與導體銅板3之間的淨間距不大於10mm。永磁體2中心開孔，採用螺栓固定在第一導磁鋼板1。

實施例2，結合圖1-圖13，一種電渦流調諧質量阻尼器磁路構造的設計方法，

如圖1所示電渦流阻尼器基準單元，可通過三維電磁場有限元仿真得到的導體銅板3受到的洛倫茲力F與導體銅板3的速度v給出電渦流阻尼等效阻尼係數cJ，

電渦流阻尼器基準單元阻尼比ζJ可由下式確定

式中，m、f分別表示電渦流TMD運動質量塊質量與振動頻率。

綜合①②式，得到該擺式電渦流TMD阻尼比公式：

電渦流阻尼器等效阻尼係數目標值cTMD＝2m(2πf)ζ③，式中ζ表示目標阻尼比。

綜合②③式，得到等效阻尼係數比值為

根據以上理論分析，可以得到擺式電渦流TMD設計方法是：

(1)根據工程減振需要，確定電渦流TMD設計參數：質量m、振動頻率f與阻尼比ζ；

(2)計算電渦流阻尼器等效阻尼係數目標值cTMD＝2m(2πf)ζ；

(3)確定矩形永磁體2型號與尺寸，永磁體2長度與寬度記為b，高度記為h；

(4)初步設計由4塊永磁體2構成的電渦流阻尼器基準單元：沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距0.5b；沿垂直於TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板3厚度不大於0.3h；第一導磁鋼板1厚度不大於20mm，第二導磁鋼板4厚度大於第一導磁鋼板1厚度，且不小於h；永磁體2組與導體銅板3之間的淨間距取10mm。

(5)採用三維電磁場有限元分析方法計算電渦流阻尼器基準單元的等效粘滯阻尼係數cJ；

(6)確定電渦流阻尼器基準單元的數量n＝cTMD/cJ，即永磁體2總數量為4n。

一種擺式電渦流TMD裝置，包括第一導磁鋼板1、永磁體2組、導體銅板3、第二導磁鋼板4，所述永磁體2組固定在TMD運動質量塊底面的第一導磁鋼板1上，所述導體銅板3位於永磁體2組的下方，且與永磁體2組之間具有一定的磁場間隙，所述第二導磁鋼板4安裝在所述導體銅板3的底面；其特徵在於，所述永磁體2橫截面採用矩形，永磁體3長：寬：高＝2:2:1，且磁極方向垂直於質量塊底面；永磁體2組採用偶數個永磁體2，採用陣列方式布置；沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距0.5b，其中b表示永磁體2寬度，沿垂直於TMD運動方向，相鄰磁極相同布置，間距0.1b；導體銅板3厚度0.3h，其中h表示永磁體2高度；第一導磁鋼板1厚度20mm，第二導磁鋼板4厚度大於20mm，且不小於h；所述永磁體2組與導體銅板3之間的淨間距10mm。

具體的來講：以某超級工程耗能減振設計為例，採用本發明最優磁路和設計方法：該工程設計的大型擺式電渦流調諧質量阻尼器具體參數為：TMD質量塊m為1000t，設計頻率f 為0.111Hz。

電渦流TMD設計參數，TMD質量塊m為1000t，設計頻率f為0.111Hz，目標阻尼比參數ζ為8％。

計算得到電渦流阻尼器等效阻尼係數目標值cTMD＝111589.37N*s/m。

根據工程結構減振需要，選取N42型NdFeB永磁體2，剩磁感應強度為1.3T，永磁體2的尺寸為100mm×100mm×50mm。

運用本專利提供的擺式電渦流TMD最優磁路：沿TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極交錯布置，間距50mm，沿垂直於TMD運動方向，相鄰永磁體2磁極相同布置，間距10mm，導體銅板3厚度15mm，導磁鋼板厚度50mm，磁場間隙10mm，質量塊底板厚度取20mm。

採用三維電磁場有限元分析方法計算電渦流阻尼器基準單元的等效阻尼係數cJ＝11574.40N*s/m。

經計算，電渦流阻尼器基準單元的數量n＝9.6，取整為10，即採用40塊永磁體2(沿TMD運動方向布置8列，垂直於TMD運動方向布置5行)，實現了阻尼比為7.81％的設計，誤差範圍滿足要求。

綜上可以看出，採用本發明擺式電渦流TMD最優磁路，以40塊永磁體2即可實現1000噸級大型擺式電渦流TMD(振動頻率0.111Hz)的目標阻尼比(7.81％)設計。