一种LCD吸振器装置.pdf

本发明公开了一种LCD吸振器装置，包括U型管、弹簧、金属球和沾滞阻尼器，所述弹簧的一端与所述U型管的内壁固定，所述弹簧的另一端与所述金属球连接，所述金属球的另一端与所述沾滞阻尼器的一端连接，所述沾滞阻尼器的另一端与所述U型管内的另一端内壁固定，所述U型管内灌装液体。与现有技术相比，本发明具有以下优点(1)振动的弹簧振子与液体相互摩擦，增加系统的能量耗散能力；(2)设计弹簧质量系统的固有频率与LCD的频率，使得被保护结构的传递函数成三波峰函数，增加了减振频率范围；(3)大幅提高吸振减振能力，减小被保护结构的振动；(4)制造简单，造价便宜。

1.一种LCD吸振器装置，其特征在于：包括U型管、弹簧、金属球和沾滞阻尼器，所述弹簧
的一端与所述U型管的内壁固定，所述弹簧的另一端与所述金属球连接，所述金属球的另一
端与所述沾滞阻尼器的一端连接，所述沾滞阻尼器的另一端与所述U型管内的另一端内壁
固定，所述U型管内灌装液体。
2.根据权利要求1所述的LCD吸振器装置，其特征在于：所述弹簧、金属球和沾滞阻尼器
均位于所述U型管内的中部。
3.根据权利要求1所述的LCD吸振器装置，其特征在于：所述液体为水。
4.根据权利要求1所述的LCD吸振器装置，其特征在于：计算方法包括以下步骤：
运动方程为
$\[m_s+\mathrm{\ρ}A(2h+b)\]{\stackrel{\·\·}{x}}_s+c_s{\stackrel{\·}{x}}_s+(k_s+k_b)x_s-k_b{x}_b+\mathrm{\ρ}bA\stackrel{\·\·}{y}=F_s---\left(1\right)$
$\mathrm{\ρ}A(2h+b)\stackrel{\·\·}{y}+c_t\stackrel{\·}{y}+2\mathrm{\ρ}gAy+\mathrm{\ρ}bA{\stackrel{\·\·}{x}}_s=0---\left(2\right)$
$m_b{\stackrel{\·\·}{x}}_b+k_b{x}_b+(d_{eq}+c_b){\stackrel{\·}{x}}_b-k_b{x}_s-c_b{\stackrel{\·}{x}}_s-d_{eq}\stackrel{\·}{y}-2{\mathrm{\ρA}}_{b}yg=0---\left(3\right)$
式中ms为结构体的质量，ρ为U型管内液体的密度，A为U型管横截面面积，h为系统静止时
液体高度，b为U形管的水平部分长度，cs为结构的阻尼，ks为结构的刚度，kb为与小球相连弹
簧的刚度，xs为结构的振动位移，xb为小球的振动位移，y为液面振动高度，Fs为作用在结构
上的外力，ct为液体与U形管摩擦的耗散阻尼系数，cb为与小球相连的粘滞阻尼器的阻尼系
数，deq为小球与液体摩擦的耗散阻尼系数，g为重力加速度；
若对方程(1)-(3)中各物理参数进行如下无量纲化
α＝ρA(2h+b)/ms,η＝kb/ks,β1＝ωl/ωs,β2＝ωb/ωs,
$f=2{\mathrm{\ρA}}_{b}g/m_b{\mathrm{\ω}}_s^2,\mathrm{\μ}=b/(2h+b),{\hat{F}}_s=F_s/{\mathrm{\ω}}_s^2{m}_{s}h=F_s/k_{s}h=X_{smax}/h,$
ct＝2ρA(2h+b)ξlωl,deq＝2ξdωbmb,cb＝2ξbωbmb (4)
则方程(1)-(3)可重写为
$(1+\mathrm{\α}){\hat{x}}_s^{\′\′}+2{\mathrm{\ξ}}_s{\hat{x}}_s^{\′}+(1+\mathrm{\η}){\hat{x}}_s-\mathrm{\η}{\hat{x}}_b+\mathrm{\μ}\mathrm{\α}{\hat{y}}^{\′\′}={\hat{F}}_s---\left(5\right)$
${\hat{y}}^{\′\′}+2{\mathrm{\ξ}}_l{\mathrm{\β}}_1{\hat{y}}^{\′}+{\mathrm{\β}}_1^2\hat{y}+\mathrm{\μ}{\hat{x}}_s^{\′\′}=0---\left(6\right)$
${\hat{x}}_b^{\′\′}+2({\mathrm{\ξ}}_d+{\mathrm{\ξ}}_b){\mathrm{\β}}_2{\hat{x}}_b^{\′}+{\mathrm{\β}}_2^2{\hat{x}}_b-{\mathrm{\β}}_2^2{\hat{x}}_s-2{\mathrm{\ξ}}_d{\mathrm{\β}}_2{\hat{y}}^{\′}-2{\mathrm{\ξ}}_b{\mathrm{\β}}_2{\hat{x}}_s^{\′}-f\hat{y}=0---\left(7\right)$
则安装有本设计MLCD的结构响应幅值与未安装的结构响应幅值比
$X_s/X_{s\max }=\frac{a_{22}{a}_{33}}{-a_{13}{a}_{22}{a}_{31}+a_{13}{a}_{21}{a}_{32}-a_{12}{a}_{21}{a}_{33}+a_{11}{a}_{22}{a}_{33}}---\left(8\right)$
在实际应用设计中通过增减液体调节β1，通过设计小球的质量mb以及与小球相连弹簧
的刚度kb调节β2和λ，可根据(8)式求出最佳设计。

一种LCD吸振器装置

技术领域

本发明涉及一种建筑结构研究实验装置，尤其涉及一种LCD吸振器装置。

背景技术

随着工程技术和材料科学的发展，高层大楼、高耸塔架结构越来越向轻型化、柔性
化发展。这类柔性结构因为固有频率较低，受风荷载影响较大，在风荷载作用下，横向位移
和结构内力较大，极易引起破坏。现有技术有以下几种：

目前的LCD装置主要依靠U型管里的液体振荡耗散能量，传递函数为单峰函数，减
振频域窄；

有些改进的MLCD装置主要是通过增加附属装置来改变系统阻尼，并不改变LCD系
统的频率，减振频域不变；

通过简单的增加阻尼的方法改进LCD尽管提高能量耗散能力，但减振效果并不能
明显改善。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种LCD吸振器装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括U型管、弹簧、金属球和沾滞阻尼器，所述弹簧的一端与所述U型管的内
壁固定，所述弹簧的另一端与所述金属球连接，所述金属球的另一端与所述沾滞阻尼器的
一端连接，所述沾滞阻尼器的另一端与所述U型管内的另一端内壁固定，所述U型管内灌装
液体。

进一步，所述弹簧、金属球和沾滞阻尼器均位于所述U型管内的中部；所述液体为
水。

本发明计算方法包括以下步骤：

运动方程为

式中ms为结构体的质量，ρ为U型管内液体的密度，A为U型管横截面面积，h为系统
静止时液体高度，b为U形管的水平部分长度，cs为结构的阻尼，ks为结构的刚度，kb为与小球
相连弹簧的刚度，xs为结构的振动位移，xb为小球的振动位移，y为液面振动高度，Fs为作用
在结构上的外力，ct为液体与U形管摩擦的耗散阻尼系数，cb为与小球相连的粘滞阻尼器的
阻尼系数，deq为小球与液体摩擦的耗散阻尼系数，g为重力加速度；

若对方程(1)-(3)中各物理参数进行如下无量纲化

α＝ρA(2h+b)/ms,η＝kb/ks,β1＝ωl/ωs,β2＝ωb/ωs,

μ＝b/(2h+b),

ct＝2ρA(2h+b)ξlωl,deq＝2ξdωbmb,cb＝2ξbωbmb (4)

则方程(1)-(3)可重写为

则安装有本设计MLCD的结构响应幅值与未安装的结构响应幅值比

在实际应用设计中通过增减液体调节β1，通过设计小球的质量mb以及与小球相连
弹簧的刚度kb调节β2和λ，可根据(8)式求出最佳设计。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种LCD吸振器装置，与现有技术相比，本发明用于高耸结构的减震，保
护高楼或高塔在风振和地震中不受破坏。主要在U型管内增加一个弹簧质量系统，当固定于
结构上随结构横向振动时，LCD内的液体耗散能量，起减振作用，弹簧质量系统起吸振作用。
其优点(1)振动的弹簧振子与液体相互摩擦，增加系统的能量耗散能力；(2)设计弹簧质量
系统的固有频率与LCD的频率，使得被保护结构的传递函数成三波峰函数，增加了减振频率
范围；(3)大幅提高吸振减振能力，减小被保护结构的振动；(4)制造简单，造价便宜。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的工作原理应用图。

图中：1-U型管、2-弹簧、3-金属球、4-沾滞阻尼器、5-液体、6-震动机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示：本发明包括U型管、弹簧、金属球和沾滞阻尼器，所述弹簧的
一端与所述U型管的内壁固定，所述弹簧的另一端与所述金属球连接，所述金属球的另一端
与所述沾滞阻尼器的一端连接，所述沾滞阻尼器的另一端与所述U型管内的另一端内壁固
定，所述U型管内灌装液体。

进一步，所述弹簧、金属球和沾滞阻尼器均位于所述U型管内的中部；所述液体为
水。

本发明计算方法包括以下步骤：

运动方程为

式中ms为结构体的质量，ρ为U型管内液体的密度，A为U型管横截面面积，h为系统
静止时液体高度，b为U形管的水平部分长度，cs为结构的阻尼，ks为结构的刚度，kb为与小球
相连弹簧的刚度，xs为结构的振动位移，xb为小球的振动位移，y为液面振动高度，Fs为作用
在结构上的外力，ct为液体与U形管摩擦的耗散阻尼系数，cb为与小球相连的粘滞阻尼器的
阻尼系数，deq为小球与液体摩擦的耗散阻尼系数，g为重力加速度；

若对方程(1)-(3)中各物理参数进行如下无量纲化

α＝ρA(2h+b)/ms,η＝kb/ks,β1＝ωl/ωs,β2＝ωb/ωs,

μ＝b/(2h+b),

ct＝2ρA(2h+b)ξlωl,deq＝2ξdωbmb,cb＝2ξbωbmb (4)

则方程(1)-(3)可重写为

则安装有本设计MLCD的结构响应幅值与未安装的结构响应幅值比

在实际应用设计中通过增减液体调节β1，通过设计小球的质量mb以及与小球相连
弹簧的刚度kb调节β2和λ，可根据(8)式求出最佳设计。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术
人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其
等效物界定。