本發(fā)明涉及一種阻尼可調(diào)的減振結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)是在受控對象上復(fù)合橡膠等黏彈性高分子材料和約束層，這種復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼等性能參數(shù)在使用過程中不可調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)屬于被動阻尼結(jié)構(gòu)，一般不能調(diào)整阻尼，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的動力學(xué)環(huán)境。

隨著壓電材料的發(fā)展，使阻尼減振結(jié)構(gòu)的性能變得可調(diào)控。將壓電材料用于阻尼結(jié)構(gòu)減振時，采用作為控制系統(tǒng)的外接分支電路與壓電材料元件并聯(lián)，通過匹配電感元件、電容元件以及電阻元件的不同組合和參數(shù)，可以對阻尼減振結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼、慣性等特性進(jìn)行改變，從而實現(xiàn)對振動的主動/半主動控制。但是，壓電材料用于阻尼減振結(jié)構(gòu)時，仍然存在一些缺點：壓電材料呈電容特性，其機械能轉(zhuǎn)換為電能的輸出具有高阻抗、高電壓和低電流的特性，外接的控制電路電路需要大體積的匹配電感器，從而導(dǎo)致阻尼減振結(jié)構(gòu)的控制電路體積很大；壓電材料用于阻尼減振結(jié)構(gòu)時，通常采用d31工作模式，即極化方向與外力方向垂直，其機電耦合系數(shù)只有0.3左右，能量轉(zhuǎn)換特性較差，從而導(dǎo)致阻尼可調(diào)控的范圍較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，基于磁致伸縮材料的磁致伸縮特性，該復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)可以進(jìn)行調(diào)控，且調(diào)控范圍較大，對阻尼進(jìn)行調(diào)控的控制電路體積小。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，包括復(fù)合在彈性基底上的磁致伸縮材料層和黏彈性材料層，電磁感應(yīng)線圈以及匹配控制電路；彈性基底可以是受控對象，也可以是另外添置的、用來與受控對象連接的結(jié)構(gòu)件；所述磁致伸縮材料層用于耦合彈性基底的機械變形，并基于其逆磁致伸縮效應(yīng)將彈性基底的機械變形產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為磁能，從而產(chǎn)生動態(tài)磁化；所述黏彈性材料層為復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)提供初始阻尼；所述電磁感應(yīng)線圈將磁致伸縮材料層產(chǎn)生的磁能轉(zhuǎn)化為電能后輸出給匹配控制電路；所述匹配控制電路用于調(diào)控所述復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼大 小。

進(jìn)一步，所述電磁感應(yīng)線圈纏繞在由黏彈性材料層、磁致伸縮材料層和彈性基組成的復(fù)合體的外部。

進(jìn)一步，還包括為磁致伸縮材料層施加偏置磁場的永磁體。

進(jìn)一步，所述永磁體設(shè)置在磁致伸縮材料層的一端。

進(jìn)一步，所述永磁體復(fù)合在黏彈性材料層上。

進(jìn)一步，還包括與磁致伸縮材料層組成閉合磁路的導(dǎo)磁體，所述電磁感應(yīng)線圈纏繞在導(dǎo)磁體上。

進(jìn)一步，還包括為磁致伸縮材料層施加偏置磁場的永磁體，所述永磁體位于所述導(dǎo)磁體的內(nèi)部。

進(jìn)一步，所述匹配控制電路包括并聯(lián)在電磁感應(yīng)線圈輸出端的可調(diào)電容和可調(diào)電阻。可變電容和可變電阻與電磁感應(yīng)線圈的電感構(gòu)成RLC諧振回路。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于，本發(fā)明使用磁致伸縮材料進(jìn)行機磁能量轉(zhuǎn)換，由于磁致伸縮材料的磁機耦合系數(shù)較大，為阻尼參數(shù)的調(diào)控提供了較大的調(diào)控范圍；本發(fā)明中由于實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換輸出的感應(yīng)線圈呈電感特性的，輸出電信號具有低阻抗、大電流特性，電磁感應(yīng)線圈匹配所需的匹配電容體積小，從而使得整個匹配控制電路體積變?。煌瑫r，匹配控制電路能夠?qū)⒂尚的苻D(zhuǎn)換為的電能量高效耦合和提取出來，存儲到電容、電池等電能存儲器中，為其他電子器件供電。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所述采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)中匹配控制電路的一種組成示意圖。

圖3是本發(fā)明所述采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的另一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明所述采用磁致伸縮材料的可調(diào)控復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的第三種實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

磁致伸縮材料具有大磁彈性內(nèi)耗和高磁機耦合系數(shù)，例如稀土超磁致伸縮材料TbDyFe合金的磁機耦合系數(shù)高達(dá)0.7，非晶態(tài)合金FeSiB、FeCuNbSiB等磁致伸縮材料的磁機耦合系數(shù)高達(dá)0.95，它們均可以將機械能高效地轉(zhuǎn)換為磁能。本發(fā)明的基本原理是，磁致伸縮材料在振動作用下，經(jīng)歷動態(tài)機械變形，由于逆磁致伸縮效應(yīng)發(fā)生機械能到磁能的轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生動態(tài)磁化，通過電磁感應(yīng)線圈在動態(tài)磁化作用下產(chǎn)生電能并輸出，進(jìn)而在匹配控制電路的作用下實現(xiàn)阻尼控制，且因磁致伸縮材料的磁機耦合系數(shù)高，可以將機械能高效轉(zhuǎn)換為磁能，從而能夠在更大范圍內(nèi)調(diào)控阻尼。

本發(fā)明將磁致伸縮材料和黏彈性材料復(fù)合到彈性基底上，構(gòu)成復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)，其中彈性基底可以是受控對象，也可以是另外添置的、用來與受控對象連接的結(jié)構(gòu)件。

本發(fā)明所述黏彈性材料為橡膠等具有阻尼特性的高分子材料。當(dāng)復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)處于振動作用環(huán)境并經(jīng)歷振動時，黏彈性材料將機械振動的能量轉(zhuǎn)換為熱能耗散，從而為本發(fā)明所述復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)提供初始阻尼，該部分的阻尼具有不可調(diào)控性。

本發(fā)明所述磁致伸縮材料可將機械能高效地轉(zhuǎn)換為磁能。磁致伸縮材料具有逆磁致伸縮效應(yīng)，在振動的作用下發(fā)生磁能到機械能的轉(zhuǎn)換，從而為所述復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)提供另一部分阻尼，即可調(diào)控的阻尼。

本發(fā)明所述匹配控制電路采用可變電阻、可變電容等元器件與電感線圈的電感形成RLC振蕩回路，從而實現(xiàn)匹配和高效能量耦合，使得復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的機電轉(zhuǎn)換能量可以高效提取出來。提取的該部分電能被消耗或存儲到電容、電池等電能存儲器中，電能被消耗或存儲在復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)中就形成了阻尼。通過調(diào)整負(fù)載、匹配控制電路中的電容、電阻的具體參數(shù)來控制電能的消耗量或提取量，從而實現(xiàn)阻尼調(diào)控。

結(jié)合本發(fā)明的使用環(huán)境，在磁致伸縮材料自身不能形成閉合磁路或者電磁感應(yīng)線圈的電磁感應(yīng)效率較低的情況下，可以增加導(dǎo)磁體，與磁致伸縮材料構(gòu)成閉合磁路，在導(dǎo)磁體上繞纏繞線圈就可以進(jìn)行電磁感應(yīng)。所述導(dǎo)磁體由導(dǎo)磁材料加工而成。

因為磁致伸縮材料的磁機耦合系數(shù)是隨偏置磁場變化而變化，本發(fā)明可以進(jìn)一步使用永磁體為磁致伸縮材料提供偏置磁場，使磁致伸縮材料工作在磁機耦合系數(shù)最大的位置，可以進(jìn)一步擴大阻尼可調(diào)控的范圍。

實施例1：

結(jié)合圖1，本實施例包括：黏彈性材料層1、磁致伸縮材料層2、彈性基底3、電磁感應(yīng)線圈4、導(dǎo)磁體5、永磁體6以及匹配控制電路7；所述黏彈性材料層1復(fù)合在磁致伸縮材料層2上，為復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)提供初始阻尼；所述磁致伸縮材料層2復(fù)合在彈性基 底3上，用于耦合彈性基底3的機械變形，并基于其逆磁致伸縮效應(yīng)將彈性基底層3機械變形產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為磁能，從而產(chǎn)生動態(tài)磁化；所述電磁感應(yīng)線圈4用于將動態(tài)磁化轉(zhuǎn)換為電能以電信號輸出，進(jìn)而在匹配控制電路7作用下實現(xiàn)阻尼控制。所述導(dǎo)磁體5與磁致伸縮材料層2組成閉合磁路，從而使磁致伸縮材料層2產(chǎn)生的動態(tài)磁化可以高效耦合到導(dǎo)磁體5內(nèi)部，使繞制在導(dǎo)磁體5上的電磁感應(yīng)線圈4獲得更大的電能輸出。所述永磁體6通過導(dǎo)磁體5為磁致伸縮材料層2施加偏置磁場，使磁致伸縮材料2工作在磁機耦合系數(shù)最大的位置。

所述匹配控制電路7包含用于匹配的可變電容、可變電阻等元件以及電能提取和存儲元件等。匹配控制的原理與現(xiàn)有的壓電阻尼減振結(jié)構(gòu)中采用的匹配控制原理基本相同，都是通過匹配電路電能的消耗或提取來對機械振動系統(tǒng)(受控對象)提供抑制振動的阻尼作用。關(guān)于壓電阻尼減振結(jié)構(gòu)的匹配控制電路可參看文獻(xiàn)(王建軍,李其漢,具有分支電路的可控壓電阻尼減振技術(shù),力學(xué)進(jìn)展,2003,33卷，3期，p389-403)。壓電阻尼減振結(jié)構(gòu)中由于壓電材料呈電容性，采用的是電阻和電感進(jìn)行匹配，形成RC或RLC分流電路。本發(fā)明不同之處在于，本發(fā)明中電磁感應(yīng)線圈4呈電感性，需采用電阻和電容進(jìn)行匹配，以形成RL或RLC分流電路，實現(xiàn)最佳匹配。匹配后的電輸出經(jīng)過二極管整流后，采用充電電路就可為電容或電池充電，通過提取或消耗電磁感應(yīng)線圈輸出的電能，為受控對象以及機械振動系統(tǒng)提供抑制振動的阻尼。

圖2給出了一種實現(xiàn)本發(fā)明所述匹配控制電路的原理示意圖，在電磁感應(yīng)線圈4的感性輸出端8并聯(lián)有可調(diào)電容9和可調(diào)電阻10，可調(diào)電容9和可調(diào)電阻10與電磁感應(yīng)線圈4共同構(gòu)成RLC振蕩電路，通過調(diào)整可調(diào)電容9的電容值和可調(diào)電阻10的電阻值，使其與電磁感應(yīng)線圈4的電感達(dá)到最佳匹配，獲得高的輸出功率，這樣既可以調(diào)整阻尼大小，又可以形成較大阻尼。匹配后的輸出信號為動態(tài)信號，接入到二極管整流電路11后獲得直流輸出信號，直流信號通過充電電路12為電能存儲器13充電，電能存儲器13中存儲的電能可以用于為其它電子系統(tǒng)供電。

實施例2：

結(jié)合圖3，本實施例,所示復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，不同之處在于，本實施例沒有采用導(dǎo)磁體，而是將電磁感應(yīng)線圈4直接繞制在由黏彈性材料層1、磁致伸縮材料層2和彈性基底3形成的復(fù)合體上以實現(xiàn)電磁感應(yīng)并將磁能轉(zhuǎn)換為電能。同時，通過將永磁體6布置在磁致伸縮材料的一端，無需設(shè)置導(dǎo)磁體，即可實現(xiàn)偏置磁場的施加。

實際上，在本發(fā)明中，永磁體6可以根據(jù)使用環(huán)境靈活布置在不同的位置，只要能夠為磁致伸縮材料層2施加偏置磁場，使磁致伸縮材料2工作在磁機耦合系數(shù)最大的位置即可。結(jié)合圖4，在本發(fā)明中還可以將永磁體6以疊層復(fù)合的方式，布置在粘彈性材料層1的上。此時，永磁體6不但施加了偏置磁場，還約束了黏彈性材料的運動，從而提高了初始阻尼。

上述實施例都是利用磁致伸縮材料的磁機轉(zhuǎn)換特性，利用復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)感受到的機械振動產(chǎn)生動態(tài)磁化，再利用電磁感應(yīng)線圈實現(xiàn)磁-電能轉(zhuǎn)換，通過構(gòu)建匹配控制電路實現(xiàn)阻尼調(diào)控；通過將感應(yīng)線圈轉(zhuǎn)換獲得的電能量經(jīng)提取和存儲后，可用于為其它電子系統(tǒng)供電；能量耗散形式包含黏彈性高分子材料的熱耗散、磁致伸縮材料的熱耗散以及磁致伸縮材料的機磁(電)轉(zhuǎn)換耗散，其中黏彈性高分子材料的熱耗散提供初始阻尼，磁致伸縮材料機磁(電)轉(zhuǎn)換耗散帶來的阻尼是可控部分。