CN111255841B - 三层层合压杆及基于该层合压杆的瞬态振动抑制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三层层合压杆及基于该层合压杆的瞬态振动抑制结构；其中三层层合压杆包括竖向设置的刚性材料层和低模量材料层；刚性材料层的两端均向其相对两侧延伸，形成第一增厚部和第二增厚部，第一增厚部的厚度大于第二增厚部的厚度；刚性材料层两端的第一增厚部之间形成第一缺口部，刚性材料层两端的第二增厚部之间形成第二缺口部；低模量材料层包括第一低模量材料层和第二低模量材料层，第一低模量材料层固定在第一缺口部，其厚度与第一增厚部相同，第二低模量材料层固定在第二缺口部，其厚度与第二增厚部相同；本发明三层层合压杆刚度控制共同作用下使得三层层合压杆滞后回环面积远大于同等规格的刚性偏心结构压杆。

Description

三层层合压杆及基于该层合压杆的瞬态振动抑制结构

技术领域

本发明涉及海洋与船舶技术领域，特别涉及一种三层层合压杆及基于该层合压杆的瞬态振动抑制结构。

背景技术

海洋与船舶工程结构必然承受短时高幅载荷(例如砰击)随之产生瞬态振动，由于结构金属固有阻尼极小，瞬态振动持续传播，结构损伤逐渐累积，最终破坏，有效实施瞬态振动抑制已成为保证海洋工程结构安全的重大需求。

传统的振动抑制方法中，将粘弹性材料等引入结构，依线性原理，此类材料需达到一定比例才能实现有效耗散，但是此类材料刚度较低，将降低结构整体刚度。在线性原理范围内，如结构设计满足刚度要求，则无法实现有效耗散，如采用高耗散设计，则无法满足承载要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三层层合压杆，其应用于瞬态振动抑制结构中，使该抑制结构同时具有高刚度和高耗散。

进一步，本发明提供一种基于上述三层层合压杆的瞬态振动抑制结构。

本发明所采用的技术方案是：

三层层合压杆，包括竖向设置的刚性材料层和低模量材料层；所述刚性材料层的两端均向其相对两侧水平延伸，形成凸出于其两侧表面的第一增厚部和第二增厚部，第一增厚部的厚度大于第二增厚部的厚度；所述刚性材料层两端的第一增厚部之间形成第一缺口部，刚性材料层两端的第二增厚部之间形成第二缺口部；所述低模量材料层包括第一低模量材料层和第二低模量材料层，所述第一低模量材料层固定在第一缺口部，其厚度与第一增厚部相同，所述第二低模量材料层固定在第二缺口部，其厚度与第二增厚部相同。

进一步，所述刚性材料层由金属材料制成。

进一步，所述低模量材料层由聚甲基丙烯酸甲酯或树脂制成。

进一步，所述第一低模量材料层粘贴在第一缺口部，第二低模量材料层粘贴在第二缺口部。

进一步，本发明还提供一种基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构，包括上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳，所述线性弹簧拉紧连接在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳的上端面位于所述第一外壳的上端面的下侧，所述第二外壳的下端面位于所述第一外壳的下端面的下侧，所述上压板紧贴在所述第二外壳的上端面的下侧，所述下压板紧贴在所述第一外壳的下端面的上侧；所述第一外壳的上端面的下侧具有第一凸起，所述第一外壳的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳的上端面上具有第二通孔，所述第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度；还包括三层层合压杆，该三层层合压杆采用上述的三层层合压杆，该三层层合压杆装夹在所述上压板和下压板之间，所述第一外壳和第二外壳的刚度均大于所述三层层合压杆的刚度。

进一步，所述三层层合压杆的安装位置与第一外壳和第二外壳长轴重合。

进一步，所述三层层合压杆、上压板、下压板、线性弹簧、第一外壳和第二外壳的材料均为钢。

进一步，所述三层层合压杆在受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，其依次出现局部弯曲构型和整体弯曲构型。

采用如上技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明三层层合压杆采用刚性材料层与低模量材料层复合而成，刚性材料层为双侧增厚的偏心结构，且两侧增厚的厚度不同，低模量材料层固定在刚性材料层两侧，且其两侧厚度分别与压杆端部偏离厚度相同；采用该结构复合而成的三层层合压杆初始轴向刚度与同等规格的刚性偏心结构压杆轴向刚度基本一致，但因端部两侧偏离距离不同，三层层合压杆边界失稳时压杆轴向位移量远远大于同等厚度的偏心压杆，使其耗散能量显著增大，同时，因两侧低模量材料层的非对称约束作用，三层层合压杆在弯曲时中心轴发生显著偏移，使得弯曲的层合压杆等效刚度增大，稳态转换阈值大幅增加，以上边界失稳控制与压杆刚度控制共同作用下使得三层层合压杆滞后回环面积远大于同等规格的刚性偏心结构压杆。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例三层层合压杆结构示意图；

图2为图1中的A部的放大图；

图3为本发明实施例基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构示意图；

图4a为本发明实施例的三层层合压杆伸直状态结构示意图；

图4b为本发明实施例的三层层合压杆局部弯曲状态的结构示意图；

图4c为本发明实施例的三层层合压杆弯曲状态的结构示意图；

图5为本发明实施例的三层层合压杆以及不含低模量材料层的偏心结构压杆、含低模量材料层的双层层合压杆的载荷-位移曲线图；

图6为发明实施例的三层层合压杆以及不含低模量材料层的偏心结构压杆的瞬态振动衰减曲线。

其中，1为三层层合压杆，111为第一增厚部，112为第二增厚部，121为第一低模量材料层，122为第二低模量材料层，2为上压板，3为下压板，4为线性弹簧，5为第一外壳，6为第二外壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

参见图1和图2，三层层合压杆1，包括竖向设置的刚性材料层和低模量材料层；刚性材料层的两端均向其相对两侧水平延伸，形成凸出于其两侧表面的第一增厚部111和第二增厚部112，第一增厚部111的厚度大于第二增厚部112 的厚度；刚性材料层两端的第一增厚部111之间形成第一缺口部，刚性材料层两端的第二增厚部112之间形成第二缺口部；低模量材料层包括第一低模量材料层121和第二低模量材料层122，第一低模量材料层121固定在第一缺口部，其厚度与第一增厚部111相同，第二低模量材料层122固定在第二缺口部，其厚度与第二增厚部112相同。

本发明三层层合压杆1采用刚性材料层与低模量材料层复合而成，刚性材料层为双侧增厚的偏心结构，且两侧增厚的厚度不同，低模量材料层固定在刚性材料层两侧，且其两侧厚度分别与压杆端部偏离厚度相同；采用该结构复合而成的三层层合压杆1初始轴向刚度与同等规格的刚性偏心结构压杆轴向刚度基本一致，但因端部两侧偏离距离不同，三层层合压杆1边界失稳时压杆轴向位移量远远大于同等厚度的偏心压杆，使其耗散能量显著增大，同时，因两侧低模量材料层的非对称约束作用，三层层合压杆1在弯曲时中心轴发生显著偏移，使得弯曲的层合压杆等效刚度增大，稳态转换阈值大幅增加，以上边界失稳控制与压杆刚度控制共同作用下使得三层层合压杆1滞后回环面积远大于同等规格的刚性偏心结构压杆。

优选的，刚性材料层由金属材料制成，具体的，刚性材料层材料为钢。低模量材料层由低模量聚合物制成，具体的，低模量层材料为聚甲基丙烯酸甲酯或树脂。刚性材料层的一侧竖向设有缺口，低模量材料层固定在刚性材料层缺口一侧，具体的，低模量材料层粘贴在刚性材料层上。

参见图3～图4c，进一步，本发明提供一种基于三层层合压杆1的瞬态振动抑制结构，包括三层层合压杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳 5和第二外壳6。三层层合压杆1采用本发明上述的三层层合压杆1，该三层层合压杆1装夹在所述上压板2和下压板3之间。线性弹簧4拉紧连接在上压板 2和下压板3之间，第一外壳5和第二外壳6的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，第二外壳6的上端面位于第一外壳5的上端面的下侧，第二外壳6 的下端面位于第一外壳5的下端面的下侧，上压板2紧贴在所述第二外壳6的上端面的下侧，下压板3紧贴在所述第一外壳5的下端面的上侧。第一外壳5 的上端面的下侧具有第一凸起，第一外壳5的下端面上具有第一通孔，第二外壳6的下端面的上侧具有第二凸起，第二外壳6的上端面上具有第二通孔，第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，第二凸起可伸缩地装配在第一通孔中，第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度。第一外壳5和第二外壳6的刚度均大于三层层合压杆1的刚度。

在本发明实施例的一个方面，线性弹簧4具有两条，相对于三层层合压杆 1对称地连接在上压板2和下压板3之间，且线性弹簧4平行于三层层合压杆1。三层层合压杆1与线性弹簧4共同置于上压板2和下压板3之间组成承载结构，承载结构预压缩后安装于第一外壳5和第二外壳6之间，上压板2、下压板3、三层层合压杆1、第一外壳5和第二外壳6间紧密、稳固接触，其中第一外壳5 和第二外壳6的刚度远大于层合压杆；优选的，第一外壳5和第二外壳6的刚度是三层层合压杆1的刚度的20～40倍。

在本发明实施例的一个方面，三层层合压杆1的安装位置与第一外壳5和第二外壳6的长轴重合。以保证层合压杆垂直受力。

在本发明实施例的一个方面，第一外壳5的上端面的上侧与被隔离结构固定连接，第二外壳6的下端面的下侧与支撑结构固定连接；或者第一外壳5的上端面的上侧与支撑结构固定连接，第二外壳6的下端面的下侧与被隔离结构固定连接。

在本发明实施例的一个方面，所述第一外壳5和第二外壳6的结构相同，均为长方形框架状结构。优选的，所述三层层合压杆1、上压板2、下压板3、线性弹簧4、第一外壳5和第二外壳6的材料均为钢。以实现本发明装置结构和力学性能的优化。

在本发明实施例的一个方面，三层层合压杆1包括刚性材料层和低模量材料层，其受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，层合压杆依次出现局部弯曲构型和整体弯曲构型。

本发明抑制结构在使用时，抑制结构的轴向与载荷作用方向一致，若外部拉伸载荷作用于第一外壳5的上端，第二外壳6固定，第一外壳5沿拉伸方向运动，上压板2位移受到第二外壳6的上端约束，此时三层层合压杆1承受压应力。若第一外壳5沿压缩方向运动，第二外壳6固定，连接在第一外壳5的上端面下侧的第一凸起穿过第二外壳6的上端面的第二通孔将载荷作用于上压板2上，位于三层层合压杆1下端的下压板3位移受到第二外壳6下端的约束，第二外壳6的下端面上侧的第二凸起穿过第一外壳5的下端面的第一通孔抵住所述下压板3，此时三层层合压杆1仍承受压应力。第一外壳5和第二外壳6 的刚度远大于层合压杆，以上过程中第一外壳5和第二外壳6的变形忽略。可见无论该抑制结构第一外壳5上端承受拉压作用，或者第二外壳6的下端承受拉压作用，三层层合压杆1都承受压应力，当载荷达到三层层合压杆1的弹性屈曲阈值，即发生稳态转换，由直杆构型转换为弯曲构型，如图4a中为直杆构型，图4b中为局部弯曲构型，图4c中为整体弯曲构型，卸载时由整体弯曲构型回弹至直杆。相对于本申请人在先申请的专利(公开号为CN108317201A)中的偏心压杆结构，本申请三层层合压杆1采用了双侧不对称端部，即中间的刚性材料层在其端部向其两侧延伸，形成厚度不相同的第一增厚部111和第二增厚部112，同时，在刚性材料层的两侧层合低模量材料层，其中两侧的低模量材料层的厚度与第一增厚部111和第二增厚部112的厚度对应相同；三层层合压杆1端部延伸出来的第一增厚部111和第二增厚部112使得三层层合压杆1 在第一次达到屈曲后，需要更大变形才能达到第二次屈曲，即延长了图5中点 1至点2的距离，中间刚性材料层的两侧层合低模量材料以后，影响中心轴位置，极大增加了三层层合压杆1的等效弯曲刚度，极大增加了压杆的屈曲极限，即图5中点1和点2的高度(纵轴数值)，滞后结构耗散能力取决于滞后回环的面积(图5)，可见，通过以上设计，本申请三层层合压杆1初始刚度与本申请人在先专利中的偏心压杆基本一致，因为低模量材料对于轴向刚度影响很小，但本申请压杆结构滞后回环面积大大增加，图5中点1和点2的高度大大增加(层合产生的效果)，图5中点1到点2之间的距离大大增加(两侧非对称压杆端部的效果)，因此，本申请三层层合压杆1在不改变结构初始刚度的情况下，大大增加了耗散，本发明三层层合压杆1相对于现有技术中刚性偏心结构压杆，瞬态振动更快得到抑制(图6)。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.三层层合压杆，其特征在于，包括竖向设置的刚性材料层和低模量材料层；所述刚性材料层的两端均向其相对两侧水平延伸，形成凸出于其两侧表面的第一增厚部(111)和第二增厚部(112)，第一增厚部(111)的厚度大于第二增厚部(112)的厚度；所述刚性材料层两端的第一增厚部(111)之间形成第一缺口部，刚性材料层两端的第二增厚部(112)之间形成第二缺口部；所述低模量材料层包括第一低模量材料层(121)和第二低模量材料层(122)，所述第一低模量材料层(121)固定在第一缺口部，其厚度与第一增厚部(111)相同，所述第二低模量材料层(122)固定在第二缺口部，其厚度与第二增厚部(112)相同。

2.根据权利要求1所述的三层层合压杆，其特征在于，所述刚性材料层由金属材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的三层层合压杆，其特征在于，所述低模量材料层由聚甲基丙烯酸甲酯或树脂制成。

4.根据权利要求1或2所述的三层层合压杆(1)，其特征在于，所述第一低模量材料层(121)粘贴在第一缺口部，第二低模量材料层(122)粘贴在第二缺口部。

5.基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构，包括上压板(2)、下压板(3)、线性弹簧(4)、第一外壳(5)和第二外壳(6)，所述线性弹簧(4)拉紧连接在所述上压板(2)和下压板(3)之间，所述第一外壳(5)和第二外壳(6)的长轴重合、短轴垂直地交叉配合在一起，所述第二外壳(6)的上端面位于所述第一外壳(5)的上端面的下侧，所述第二外壳(6)的下端面位于所述第一外壳(5)的下端面的下侧，所述上压板(2)紧贴在所述第二外壳(6)的上端面的下侧，所述下压板(3)紧贴在所述第一外壳(5)的下端面的上侧；所述第一外壳(5)的上端面的下侧具有第一凸起，所述第一外壳(5)的下端面上具有第一通孔，所述第二外壳(6)的下端面的上侧具有第二凸起，所述第二外壳(6)的上端面上具有第二通孔，所述第一凸起可伸缩地装配在所述第二通孔中，所述第二凸起可伸缩地装配在所述第一通孔中，所述第一凸起的高度大于所述第二通孔的深度，所述第二凸起的高度大于所述第一通孔的深度；其特征在于，

还包括三层层合压杆(1)，该三层层合压杆(1)采用权利要求1～4中任一项所述的三层层合压杆(1)，该三层层合压杆(1)装夹在所述上压板(2)和下压板(3)之间，所述第一外壳(5)和第二外壳(6)的刚度均大于所述三层层合压杆(1)的刚度。

6.根据权利要求5所述的基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构，其特征在于，所述三层层合压杆(1)的安装位置与第一外壳(5)和第二外壳(6)长轴重合。

7.根据权利要求5所述的基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构，其特征在于，所述三层层合压杆(1)、上压板(2)、下压板(3)、线性弹簧(4)、第一外壳(5)和第二外壳(6)的材料均为钢。

8.根据权利要求5所述的基于三层层合压杆的瞬态振动抑制结构，其特征在于，所述三层层合压杆(1)在受到的压缩载荷逐渐增大的过程中，其依次出现局部弯曲构型和整体弯曲构型。

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