專利名稱：能量吸收器的制作方法
技術領域：
本發明涉及能量吸收器。更具體地說，本發明涉及能在廣泛應用領域內應用的剪切阻尼器。
背景技術：
對此說明書而言，一臺剪切阻尼器即意味一臺周期性剪切能量吸收器，這一類型的能量吸收器在WO94/13974、US4117637、US4499694、US4593502和US471397中都有過說明，此處已通過參考將它們的說明加以包括。剪切阻尼器主要已應用于結構物對地震的隔離中。地震隔離涉及將結構物的固有周期延長至激勵運動周期范圍以上。這樣，通過去耦，降低了傳輸給建筑物的力。添加阻尼機制以消耗相關聯的能量，從而控制位移，并進一步降低傳輸給結構物的加速度，這就建立了一個抗地震系統。這種抗震方法對固有周期少于1.5秒的結構物是合適的。在史克耐(Skinner)等人的文章(見說明書結尾的參考目錄)中對地震隔離的原理進行了更多的說明。
迄今為止，已設計了此類能量吸收器是作為重量支承的，在此技術領域中稱作鉛橡膠支承。即，將要對感生運動進行阻尼的結構物或部分結構物放置在支承的頂部，而支承本身則或放置在地基上，或放置在結構物的另一部分上。這些裝置用來吸收地震或風力負載，但能抵抗較小的力。
一些時間來，己知能量吸收器可用作阻尼器，以控制固有周期大于1.5秒的高層結構的彈性和塑性變形(司開松(Svawthorn)等人，1995)。可將阻尼器橫向放置在結構物或部分結構物之間以阻尼運動。可加以阻尼的運動可是十分微小的。
剪切阻尼器除了用作支承以阻尼結構物感生運動外，在其它一些場合也是很有用的。例如，剪切阻尼器可用于阻尼諸如在機械、水電站等的壓力水管中的振動，也可用于阻尼諸如重型卡車、鐵路貨車、車廂或發動機等滾動座架的振動，或任何類似的振動。
本發明的目的是在獲得這一迫切要求的方面進行一些工作，或至少為公眾提供一種有用的選擇。
發明內容
廣泛說來，本發明的要點是一種能量吸收器，該能量吸收器包括一對背對背沿一條公共軸線安裝的剪切阻尼器，每一所述阻尼器包括一對剛性的端板、一件由能相互滑移剛性板構成的疊層結構物、以及一個可塑性變形材料制成的芯體，芯體放置在從所述端板一端的內表面至另一所述端板的內表面的、穿過所述剛性板的中心孔中；裝置，用于相互相向推動所述端板，以便將每一所述芯體保持在至少趨近所述可塑性變形材料的剪切屈服應力的水力靜壓下；這兩塊位于所述阻尼器對遠端的端板可共同與一個結構物的一個第一部分連接；這兩臺阻此器在它們的毗鄰端部具有一塊公共端板，所述公共端板可與一個結構物的一個第二部分連接；在每臺所述阻尼器中的芯體平均橫截面面積約為每一所述阻尼器平均總橫截面面積的5％至95％；
此布置和結構是這樣的，即在應用所述能量吸收器中，當與第一和第二結構物或部分結構物連接時，阻尼其間的相對運動。
最好每一所述芯體是鉛的。
替而代之的是所述芯體是高純度的鋁、錫、鋅、鐵或銦，或是鉛、鋁、錫、鋅、鐵或銦的合金，或任何超塑性合金，或其它具有低工作硬化速率的材料。
在另一替代方案中，如US4713917說明的那樣，每一所述芯體是密集充實的顆粒材料。
最好所述顆粒材料是鋼、玻璃珠、氧化鋁、碳化硅或任何其它相似的硬質顆粒材料。
替而代之的是，所述顆粒材料是顆粒狀的鐵、鉛、鋁或其它類似的硬度較小的材料。
最好，所述端板和所述剛性板是鋼的。
替而代之的是，所述端板和所述剛性板是鋁或鋁合金的。
替而代之的是，所述端板和所述剛性板是陶瓷材料，或其它合適的材料。
最好，所述剛性板由彈性材料加以隔開。
最好，所述彈性材料是橡膠。
最好，相互相向推動所述端板的所述裝置包括一對夾緊構件，它們將所述遠端板相互相向地夾緊。
最好，位于所述遠端的所述端板對可借助一件與所述夾緊構件連接的連接構件與所述第一結構物連接。
最好，所述支承的所述公共端板可借助一件安裝構件安裝至一件結構物的第二部分上。
最好，所述安裝構件是一件所述公共端板的橫向延伸物。
最好，每一所述芯體的平均橫截面面積約為所述支承的平均總橫截面面積的50-95％。
最好，每一所述芯體的所述橫截面面積約為所述支承的平均總橫截面面積的50％。
最好，每一所述芯體具有規則幾何形狀的橫截面。
最好，每一所述芯體是圓柱形的。
替而代之的是，每一所述芯體具有方形橫截面。
替而代之的是，每一所述芯體具有幾何形狀變化的橫截面。
最好，從側視圖看時，每一所述芯體具有砂漏形狀。
最好，每一所述阻尼器具有幾何形狀規則的橫截面。
在一個替代方案中，所述規則橫截面是圓形的。
在另一個替代方案中，所述規則橫截面是方形的。
在另一個替代方案中，所述規則橫截面是矩形的。
在另一個替代方案中，所述規則橫截面是橢圓形的。
最好，在每一所述端板的內表面和所述公共端板的內表面與每一所述剪切阻尼器的芯體端部之間具有一種結合。
最好，所述結合是一種機械結合。
最好，所述機械結合是通過對所述端板的內表面刻上凹槽形成的。
最好，所述凹槽是圓形或螺旋形狀的。
替而代之的是，所述機械結合通過釬焊形成。
替而代之的是，所述結合通過粘接形成。
替而代之的是，所述結合通過熱補橡膠形成。
替而代之的是，所述凹槽具有直線凹槽形式，并與由所述吸收器阻尼的力的運動方向成直角。
替而代之的是，所述凹槽具有直線凹槽形式，并與由所述吸收器阻尼的力的運動方向成任意角度。
替而代之的是，所述凹槽是由噴丸處理或噴砂產生的。
替而代之的是，所述凹槽具有圖3a-d中說明的任何一種形狀。
最好，所述芯體是圓柱形時，鋼和彈性材料的所述交錯層形成一個套于其上的環。
最好，當所述芯體是鉛時，所述水力靜壓從約5MPa至約80MPa。
較受推薦的是，當所述芯體是鉛時，所述水力靜壓等于約從10MPa至30MP。
最受推薦的是，當所述芯體是鉛時，所述水力靜壓約為50MPa。
最好，所述能量吸收器的所述芯體包含鑲嵌于其中的元件，元件材料硬于芯體材料，從而在阻尼期間減少芯體材料的遷移。
最好，所述元件布置成能在所述芯體的變形平面中提供剛度。
最好，當所述芯體是鉛，而所述元件是金屬、碳纖維、玻璃纖維，或其它硬于鉛的材料。
最好，所述元件的形狀為桿、線、帶、網、盤、或類似形狀。
在一個替代實施例中，所述元件包括在所述疊層結構物中的所述剛性板，所述剛性板通過可塑性變形材料的所述芯體、基本橫越每一所述剪切阻尼器的整個橫截面而延伸，從而所述芯體是間隔的，由芯體材料和剛性板的交錯層構成。
在另一個實施例中，廣泛地說，本發明的要點是一種能量吸收器，該能量吸收器包括兩對剪切阻尼器，每對剪切阻尼器背對背地沿一條公共軸線而安裝，每一所述阻尼器包括一對剛性的端板、一件由能相互滑移剛性板構成的疊層結構物、以及一個可塑性變形材料制成的芯體，芯體放置在從所述端板一端的內表面至另一所述端板的內表面的、穿過所述剛性板的中心孔中；裝置，用于相互相向推動每一所述對的所述端板，以便將每一所述芯體保持在至少趨近所述可塑性變形材料的剪切屈服應力的水力靜壓下；這兩塊位于每一所述阻尼器對遠端的端板是相互連接的；每一所述對的這兩臺阻尼器在它們的毗鄰端部具有一塊公共端板，一對所述對的所述公共端板連接至第一結構物上，而第二奪所述對的所述公共端板連接至第二結構物上；在每臺所述阻尼器中，芯體的平均橫截面面積約為每一所述阻尼器的平均總橫截面面積的5％至95％；此布置和結構是這樣的，即在應用所述能量吸收器中，當與第一和第二結構物或部分結構物連接時，阻尼其間的相對運動。
廣泛地說，本發明的要點在于如上所述的能量吸收器，該能量吸收器與兩件結構物或一件結構物的兩個部分相結合，以阻尼其間的運動。
廣泛地說，本發明的要點在于一種能量吸收器，它基本如參照
圖1至3d和7至17在此處說明的一樣。
在另一實施例中，廣泛地說，本發明的要點是，一種阻尼方法，用于阻尼兩件結構物之間、或一件結構物的兩個部分之間的相對運動，此阻尼方法包括選擇一臺如文中限定的、具有能量吸收性能的能量吸收器，以阻尼預計作用在所述兩件結構物或一件結構物的兩個部分上的力，以及將所述能量吸收器的相應連接構件連接至所述兩件結構物或一件結構物的兩個部分上。
在另一實施例中，廣泛地說，本發明的要點是一種方法，用于生產如文中限定的能量吸收器，此種方法包括由一塊所述端板和一些所述剛性板以及所述彈性材料(如出現的話)制成疊層制件；將阻尼材料塞插入所述阻尼器的芯體中，并將另一所述端板固定在所述疊層制件上；使所述阻尼器的所述端板承受一個壓力，且承受壓力的時間足以使所述阻尼材料變形進入通過毗連所述芯體的所述剛性板和彈性材料的中心孔側的間隙中，并進入所述阻尼器的端板內表面的截痕中。
最好，所述阻尼材料塞是鉛，而所述端板承受的壓力至少為50MPa。
最好，當所述壓力為50Mpa時，它至少要作用5分鐘。
最好，所述端板承受的壓力至少為100MPa。
廣泛說來，本發明要點也在于應用說明書單獨或總體涉及或指出的零件、部件及特征，以及任何兩個或多個所述零件、部件及特征的任何組合或所有組合，也在于此處提及的具體事物，雖然是本領域已知的、與本發明涉及的等效物，但只要單獨規定，則這樣的等效物也認為包含于此。
本發明的要點在于前述結構，也在于下述實例給出的預計結構。
附圖概述現將參照附圖，對本發明的一個最佳形式進行說明，其中圖1是本發明提出的一種吸收器的頂視圖。
圖2是圖1中沿Ⅱ-Ⅱ的截面圖。
圖3一個詳細的截面圖，表示與一個鉛芯形成機械結合的一塊端板內表面的截痕。
圖3a-d是以大于圖3的比例表示的截面圖，展示端板表面與鉛芯之間機械結合的供選擇的形狀。
圖4是本發明提出的一種吸收器在±10μm情況下試驗時的力-位移滯后曲線。
圖5是本發明提出的一種吸收器在±1.1mm情況下試驗時的力-位移滯后曲線。
圖6是本發明提出的一種吸收器在±6.9mm情況下試驗時的力-位移滯后曲線。
圖7是本發明提出的能量吸收器的第二實施例的頂視圖。
圖8是沿圖7中Ⅷ-Ⅷ的截面圖。
圖9是本發明實施例沿圖10中的Ⅸ-Ⅸ的視圖，圖9中所示為與槽形桁梁連接時的位置。
圖10是與圖8所示相同的第二實施例的視圖，能量吸收器與之安裝的安裝構件位于兩根桁梁之間。
圖11是沿圖12中Ⅺ-Ⅺ的截面圖，它由圖7-10中所示的兩臺能量吸收器平行地相互聯接而成。
圖12是圖11中實施例的頂視圖。
圖13a-f表示圖1-3和7-12中能量吸收器的芯體的各種替代性形狀。
圖14a是本發明提出的能量吸收器芯體的示意性截面圖，其中加強盤已被嵌入，以減少芯片材料的遷移。
圖14b是經改變后的圖2所示能量吸收器的橫截面圖，該吸收器具有芯體材料和剛性板的交替層。
圖15是另一芯體的立體圖，其中一對加強鐵絲環已引入到本發明提出的能量吸收器的芯體中。
圖16是矩形芯體中一對桿的截面圖，用以增加剛度以減少芯體材料的遷移。
圖17a-g是欲鑲嵌在芯體中的加強元件的橫截面圖。
發明的實施模式由于現代結構物的發展，對構筑結構物的材料也提出了新的要求。相應地，已開發了新技術以對付日益增大的結構物提出的新問題。本發明提出的能量吸收器可用于阻尼十分高的結構物受風力影響而產生的小而持續的振動，也可用于降低與地震運動相關聯的大幅度傾斜。這是通過“附加阻尼”或“補充阻尼”的概念而達到的，這一概念涉及將許多小的阻尼裝置分布在整個結構物中，以獲得結構物阻尼作用的均勻增加。此外，本發明提出的吸收器也可用于增加吸收器安裝于其中的建筑物的剛度。
鉛剪切阻尼器本發明能量吸收器的最佳實施例稱為鉛剪切阻尼器。鉛剪切阻尼器是一個緊湊的裝置，對十分微小的位移都很敏感。在低至±2μm的位移時，也可獲得相當滯后的阻尼。通過將許多小容量裝置分布在整個結構物中，可用作柔性結構物的“附加”或“補充”阻尼。這一措施對那些其周期落于地震隔離的實際范圍以外的結構物是適宜的。這樣獲得的阻尼的均勻分布可建立一個高度受阻尼的結構物。
鉛剪切阻尼器的最佳范圍是從±2μm至±10mm。應用較大的裝置可得到較大的位移，但是靈敏度隨尺寸增大而減小。一個100mm位移的阻尼器將開始給出在20μm的可觀的滯后阻尼。這樣的一種阻尼器具有幅度為四個星級的動力范圍。應用本發明能量吸收器樣機獲得的力在1KN至200KN的范圍。本發明的鉛剪切阻尼器能經受在設計范圍振幅下的成千上萬個周期，而不會有性能惡化或需維修。
此裝置的阻尼作用是通過鉛芯的塑性變形獲得的。這在保持機械性能不變的同時，使塑性能量得以耗散。這是通過鉛的動力學和亞動力學的重結晶獲得的[見蒙梯(Monti)等人的文章，(1995)]。鉛剪切阻尼器最好設計成能包含在柔性結構物的任何撓曲部位中，在這些部位上位移可轉換成阻尼，諸如梁柱中的交叉支柱、抗力矩框架、或重型管道工程或工業設備的懸垂形桁梁。
本發明提出的剪切阻尼器具有一個為可塑性變形材料的芯體，其周圍圍繞有剛性板，在剛性板之間放置有彈性或低摩擦系數的材料。在芯體的兩端有一對端板。芯體最好由純鉛制成。但是，鉛、鋁、錫、鋅、鐵、銦的合金，超塑性合金或具有低工作硬化速率的其它材料也可應用。高純度的鋁、錫、鋅、銦或鐵也可使用。還可能使用密實充填的顆粒狀材料，諸如砂子、鋼丸、玻璃珠、氧化鋁、碳化硅或任何其它硬質顆粒狀材料作為芯體。硬度不大的、諸如鐵、鉛、鋁和其它類似物質的密實充填顆粒狀材料也可使用。圍繞芯體的疊層結構物最好由鋼板構成，在鋼板之間放置著橡膠。但是，疊層結構物可由任何板的結構組成，只要它們能在感生運動期間，相互相對橫向移動，以便對芯體施加剪切力。芯體也可由一疊板構成，板之間夾有低摩擦系數的材料，以便使它們得以相互滑移。
附圖的詳細描述請參看圖2，本發明第一實施例提出的能量吸收器由一對沿公共軸線、端部對端部而安裝的鉛剪切阻尼器構成。上鉛剪切阻尼器包括一塊遠端板10、一個鉛芯28、一塊公共端塊18和一件套在鉛芯28上的環形疊層制件。疊層制件由一塊具有第一厚度的環形鋼板22及一組鋼板26組成，每塊鋼板26也是環形的，但厚度較小，并由橡膠層24隔開。下鉛剪切阻尼器的結構與此相同。端板12和10借助穿過孔29的固定螺絲32固定在位。
在此結構物的相對端有一對用六個夾緊螺栓30推壓在一起的圓形夾緊板14和16，夾緊螺栓30穿過上夾緊板14的孔31，進入夾緊板16中相對應的螺紋孔中。螺栓30最好是摩擦螺栓，但任何其它能將螺栓鎖緊在位的裝置也可應用。
為獲得端板10、12和18與鉛芯28之間的機械結合，板10和12的內表面及板18的兩個表面均制有凹槽，這樣，當夾緊板14和16推壓在一起時，鉛就變形進入凹槽11中。圖3中的槽11位于端板的每一相關表面上具有螺旋形狀。
圖3a至d中的截面表示其它可能的凹槽形狀，由它們可得到鉛與鋼的適當機械結合。當凹槽制成直線形狀時，主凹槽線最好與輸入給阻尼器的力的方向成直角。板10和12的內表面以及板18的兩個表面可進行噴丸、噴砂或噴涂一層粗糙表面以形成凹槽。
在另一實施例中，可在板10、12和18的相關鋼表面與鉛芯28的端部之間設置一層橡膠層，并將橡膠熱補或粘接在位。鉛也可用釬接或其它方法與鋼相結合。
螺栓30要擰緊到此處的水力靜壓達到芯材剪切應力屈服壓力的量級。在最佳實施例中，芯材是鉛，水力靜壓約大于5MPa，最好在約10MPa和80MPa之間。壓力的較好范圍是從約10MPa至約30MPa。而最受推薦的壓力是約50MPa。
在生產本發明提出的吸收器時，兩個阻尼器是在不插入遠端板10和12以及鉛芯或鉛塞28的情況下進行組裝的。端板10和12用固定螺絲32固定在位，然后將端板例如放在液壓機中，對它們至少施加五分鐘至少為50MPa的外加壓力，這樣，芯28中的鉛就變形進入板24的芯邊緣和彈性材料28之間的間隙及端板10、12和18內表面的凹槽11中。當壓力較大時，則保持時間少于5分鐘就足夠了。
施加在芯上的壓緊壓力最好與芯的壓緊屈服壓力的量級相同。當鉛剪切阻尼器中為鉛的情況下，它為50MPa。
在圖1至3中所示的實施例中，由鉛芯構成的剪切阻尼器的平均橫截面面積百分比約為50％。這樣獲得的彈性剛度約位于此實施例的中間范圍。如果鉛的橫截面百分比增加，則剛度增加，如果鉛的橫截面百分比減少，則彈性增加。
在運行中，夾緊環14和16的端部15和17容納一件連接構件(未表示)，它由螺栓33進行連接。此連接構件將一件結構物或一件結構物的一部分與能量吸收器相接。公共端板18具有一個法蘭20，它也可借助螺栓33將一件連接構件與另一件結構物或結構物的一部分相連接。
圖7-10中展示的本發明的第二實施例與結合圖1-3說明的第一實施例基本相同。對于相同的結構，可參考圖1-3的說明。
能量吸收器也包括一對剪切阻尼器，它們具有遠端板10和一塊公共端板18。芯28由夾緊板14壓緊在一起。在圖7-10中每一幅的左側，如在圖1和2中展示的實施例一樣，通過螺栓安裝了一件結構物組件。第二實施例在此處的結構與第一實施例的不同之處在于，連接構件34是一件與公共端板18成一體的延伸件。在所示實施例中，構件34具有6個由其穿過的孔36，使用時，它們可用于將其與結構物構件進行連接。連接構件34具有一對狹縫38，當能量吸收器組裝完后，它們得以使夾緊螺栓30由此穿過。
在圖9和10中展示了一種將連接構件34與結構物構件進行連接的模式。桁梁40具有U形截面。桁梁40由一件主構件42及側構件41和43構成，側構件41和43與主構件42成直角而伸展。如圖10所示，本發明提出的一件能量吸收器可與一對桁梁40進行連接。在每一主構件42的位于側構件41和43之間的表面上設置了一塊連接板45，此連接板45具有6個孔47，它們設置成與穿過連接構件34的孔36相對準。在一個最佳實施例中，一個摩擦螺栓44通過孔36和47，并用螺母46加以固定。借助這一方法，一對桁梁40，如圖7-10所示地與能量吸收器的連接構件34相連接。
諸如鉚接或焊接等其它連接方法也可采用。由能量吸收器阻尼的循環數目將確定需要連接的方法。對于遭受經常性風力負載的結構物，所示摩擦螺栓能獲得最優的連接。
在圖11和12中展示了本發明的另一實施例，其中兩對剪切阻尼器平行地連接在一起。每對剪切阻尼器的結構都與圖7-10中所示的相同。在圖11和12所示的組合件中，每對剪切阻尼器在它們的遠端共用公共夾緊構件48、50。與諸如桁梁的結構物構件連接的結構和方法的其它細節可參見圖9和10。
圖11和12的雙對實施例與圖1和2及7至10所示實施例的結構不同在于，夾緊板48和50不能與結構物或部分結構物連接。取而代之的是，從每對剪切阻尼器的公共端板18向外伸展的連接構件34可用于這一目的。
在運行中，每對剪切阻尼器與另一對剪切阻尼器串接地進行運行。這使圖11和12所示的能量吸收器的行程為圖7-10所示的能量吸收器行程的雙倍。同時，假如一對阻尼器與另一對阻尼器平行連接，則阻尼力加倍。
可采用各種不同形狀的芯體和圍繞的疊層制件。圖13a-13f展示了六種與實施例使用的圓柱形芯體不同的可選擇的芯體。
在圖13a中，芯體28的截面是橢圓形的，側邊則是直線的。圖13b和c中的芯體28是柱形截面，但側邊是直線。圖13d所示的芯體28，其截面是兩個相交的橢圓，并有直線的側邊。圖13e所示的芯體28具有矩形截面，且截面面積是變化的。在中心的截面面積最小，在兩端截面面積最大，從而給出側面25為弓形形狀。
圖13f所示的橢圓形芯體28也有變化的截面面積，從而也形成一個弓形的側面27。
剪切阻尼器芯體形狀并不限于圖13a-13f所示的實施例，也可在本發明的其它應用中使用其它的實施例。
在有些應用場合，剪切阻尼器在它們工作壽命期間要經受成千上萬次的循環，這時就會出現芯體材料向周圍板和彈性材料層遷移的趨勢。遷移的方向與受阻尼的運動的方向相同。減少這種遷移的一種方法是在芯材中鑲嵌加固元件。假如將加固元件定位成，在能量吸收器位移方向給予最大的剛性，則對遷移的減少最有效。在圖14、15和16中展示了這一方法的各種可能途徑。
在圖14a中，在芯材28中鑲嵌有盤或板52。盤52的直徑可小于芯體28的直徑，也可與其相同。盤52的表面最好按圖3a-d所示的相同方法刻有凹槽，以有助于芯材遷移的延遲。這樣的實施例實際上是一種疊層結構，在制作時，可不在芯體中鑲嵌加固元件。相反，一個疊層制件可由交替的芯體28和盤52制成。
在圖14b中展示了一對背靠背的剪切阻尼器，其中每塊鋼板21與圖2所示的環形不同，是基本橫越能量吸收器的每一剪切阻尼器的橫截面而延伸的。與每塊板21交錯的是一層鉛層19(一種最佳的芯材)。在每一鉛層19周邊圍繞著一個橡膠(一種最佳的彈性材料)環24。此組裝件的其余部分與圖2所示的相同。公共端板18將此對阻尼器分開。遠端板10和12按圖2說明的方式夾緊在夾緊板14和16之間。
在運行中，相對圖14b而言，由于運動從這一側至那一側受到阻尼，因而板21在運動被吸收器所阻尼的方向起減少鉛遷移的作用。在此應用中，鉛在兩側進入橡膠環24的遷移都減少。
如在其它實施例中那樣，板21接觸鉛層19的上和底表面最好都刻有凹槽，以增加它們之間的機械結合。
在又一實施例中，環24可完全取消，而鉛層19則延伸至與板21相同的周邊。
在圖15所示的實施例中，在芯材28中鑲嵌了連續的鋼絲環54，其橫截面如圖17所示。圖14a和15中的每個芯體28都是圓柱形的。
圖16中的芯體28具有矩形橫截面。鑲嵌在芯體28中的是一對加強桿56。加強桿56的數目及它們的布置可根據芯體總體形狀而加以改變。
在圖17a-g中展示了鋼絲54或桿56的各種可能的橫截面。在圖17a中的桿或鋼絲59是圓形的。在圖17b和c中的鋼絲或桿59是橢圓形的。在圖17d和f中的鋼絲或桿60具有矩形橫截面。在圖17e中所示的線或桿61具有方形橫截面。圖17g中鋼絲或桿62的橫截面大致像字母“S”。
用于減少芯材遷移的加固元件可由若干不同材料制成的。但元件的剛度必須大于芯材本身的剛度。在芯體變形平面具有剛性也是有利的。
實施例1第一實施例的試驗六臺所示實施例的裝置在雙剪切試驗臺(750KN)(750千牛)和新西蘭的格雷斯菲爾德的企鵝工程有限公司(Penguin EngineeringLimited)的Instron試驗機(250KN)上進行試驗。試驗臺的操作見1995年羅濱遜(Robinson)的文章。被試驗裝置的設計位移的量級為±2μm至±10mm。在從±2μm至±17mm的整個范圍試驗均很成功。
經試驗的第二實驗裝置在其整個工作范圍內的不同振幅下經受了1226次循環，包括在±0.7mm下的一個1000循環的試驗，這時在裝置的滯后性能方面略有改變。結果公布于此的裝置在一個位移范圍內經受了217次循環，包括在±1.7乘以設計位移的三次循環，裝置的滯后性能略有改變。
圖4至6中的曲線展示了受試驗裝置在整個位移范圍內的滯后性能。這些曲線分別表示在十分小(±10μm)、中等(±1.1mm)和大(±6.9mm)位移情況下的滯后性能。
試驗程序已表明，鉛剪切阻尼器能像最完善的塑料裝置一樣運轉。它能在低至2μm的位移下提供顯著的滯后阻尼，并能提供四個量級大小的可靠的運行位移范圍。在1000次循環的持續試驗后，它顯示了穩定、可靠的性能。其工作范圍的頂端有大的位移后，裝置仍像在底端進行試驗時一樣靈敏。當位移為工作范圍的兩個量級時，阻尼器還可在多次循環下進行可靠的阻尼。但是，彈性體會由于超過其彈性極限而伸長和破裂。
實例2第二實施例的試驗應用實例1中的相同試驗機對圖7和8說明的原型能量吸收器進行了試驗。本發明第二實施例提出的能量吸收器在不同振幅下經受了141440次循環的試驗，直至試驗機本身失效。吸收器在最后一次這樣的循環中，其阻尼力為首次循環的15％以內，而這認為在設計參數范圍內是合格的。
安裝將本發明提出的能量吸收器分布在整個新和已有的結構物內，能獲得對結構物性能的控制。此方案的優異在于能對設計師/工程師指定的部位進行特殊的阻尼。本發明提出的原型鉛剪切阻尼器具有滯后性能，它在本質上是“塑性”或“庫倫性”的，在阻尼力中顯示出十分小的速率依賴關系。經試驗的原型阻尼器具有10KN至200KN的阻尼力，并能在2μm至10mm的位移下運轉。
本發明提出的能量吸收器適用于將由風力或地震引起的柔性結構物中標尺一端的運動降低至標尺另一端的小振動和小位移。
本發明提出的能量吸收器安裝方便，并能建筑師/設計師得有更大的自由度和設計選擇。
對商業用裝置的預期阻尼力和位移的范圍是從十分小的，量級為1N和位移為±0.0001μm至±1mm的阻尼力和位移范圍，至十分大的、10GN和位移為±50μm至1.0m的阻尼力和位移范圍。
本發明的能量吸收器也可在廣闊的應用范圍內用于振動進行阻尼。可從阻尼水電站壓力水管的振動直至阻尼重型機械或諸如重型卡車、鐵路貨車、車廂或發動機的滾動座架的振動。
本發明的其余實施例對此領域的普通技術人員來講是很清楚的。
參考文獻S·庫斯托夫；S·戈揚丁；K·薩波日尼科夫和W·H·羅賓遜《作用在鋁、銦和鉛的共晶體內部摩擦力上的預應力影響》關于土壤非理想和彈性現象第九屆國際會議，土拉，俄羅斯，1997年9月M·D·蒙迪(1994)《鉛的高應力周期性剪力》，碩士論文，奧克蘭大學M·D·蒙迪；W·G·弗格森和W·H·魯賓遜(1995)《作為地震能量消耗物的鉛》，IPENZ年會，第2卷第444頁-450頁M·D·蒙迪；W·G·弗格森和W·H·魯賓遜(1995)《作為周期運動阻尼器的鉛》，地震工程太平洋大會，第3卷第323-330頁M·D·蒙迪和W·G·弗格森(1996)《適合于降低風和地震引起的運動的鉛剪切阻尼器》，ⅡWCEE墨西哥城(會議)記錄W·H·魯賓遜(1982)《適合于在地震中保護結構的鉛橡膠滯后支承》，地震工程和動態結構，第10卷第593-604頁W·H·魯賓遜和L·R·格林班克(1976)《適合于在地震中的結構保護的釋放能量吸收器》，地震工程和動態結構，第4卷第251-259頁W·H·魯賓遜(1995)《地震隔離，新西蘭實例》，ASME/JSME PVP大會，夏威夷，1995W·H·魯賓遜(1996)《地震隔離的最新進展》，ⅡWCEE墨西哥城(會議)記錄C·司克松，B·卡托和L·W·盧(1995)《標準和裝載》，關于居民區和高層建筑的第五屆世界大會，第839頁-1150頁R·I·史克耐和G·H·麥克威瑞(1995)《用于加大抗震性的隔離地基》，地震工程新西蘭社會公告，第8卷第2號R·I·史克耐，W·H·魯賓遜和G·H·麥克威瑞(1993)《地震隔離介紹》，約翰·威利父子有限公司，西薩塞克斯，英格蘭
權利要求
1.一種能量吸收器，該能量吸收器包括一對背對背沿一條公共軸線安裝的剪切阻尼器，每一所述阻尼器包括一對剛性的端板、一件由能相互滑移剛性板構成的疊層結構物、以及一個可塑性變形材料制成的芯體，芯體放置在從所述端板一端的內表面至另一所述端板的內表面的、穿過所述剛性板的中心孔中；裝置，用于相互相向推動所述端板，以便將每一所述芯體保持在至少趨近所述可塑性變形材料的剪切屈服應力的水力靜壓下；這兩塊位于所述阻尼器對遠端的端板可共同與一個結構物的一個第一部分連接；這兩臺阻此器在它們的毗鄰端部具有一塊公共端板，所述公共端板可與一個結構物的一個第二部分連接；在每臺所述阻尼器中的芯體平均橫截面面積約為每一所述阻尼器平均總橫截面面積的5％至95％；此布置和結構是這樣的，即在應用所述能量吸收器中，當與第一和第二結構物或部分結構物連接時，阻尼其間的相對運動。
2.如權利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，所述芯體是鉛的。
3.如權利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，所述芯體是高純度的鋁、錫、鋅、鐵或銦，或是鉛、鋁、錫、鋅、鐵或銦的合金，或任何超塑性合金，或其它具有低工作硬化速率的材料。
4.如權利要求1所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體是密集充實的顆粒材料。
5.如權利要求4所述的能量吸收器，其特征在于，所述顆粒材料是鋼、玻璃珠、氧化鋁、碳化硅或任何其它相似的硬質顆粒材料。
6.如權利要求4所述的能量吸收器，其特征在于，所述顆粒材料是顆粒狀的鐵、鉛、鋁或其它類似的硬度較小的材料。
7.如前所述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述端板和所述剛性板是鋼的。
8.如權利要求1至6中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述端板和所述剛性板是鋁或鋁合金的。
9.如權利要求1至6中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述端板和所述剛性板是陶瓷材料，或其它合適的材料。
10.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特在于，所述剛性板由彈性材料加以隔開。
11.如權利要求10所述的能量吸收器，其特征在于，所述彈性材料是橡膠。
12.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，相互相向推動所述端板的所述裝置包括一對夾緊構件，它們將所述遠端板相互相向地夾緊。
13.如權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，位于所述遠端的所述端板對可借助一件與所述夾緊構件連接的連接構件與所述第一結構物連接。
14.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述阻尼器的所述公共端板可借助一件安裝構件安裝至一件結構物的第二部分上。
15.如權利要求14所述的能量吸收器，其特征在于，所述安裝構件是一件所述公共端板的橫向延伸物。
16.如權利要求15所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體的平均橫截面面積約為所述阻尼器的平均總橫截面面積的50-95％。
17.如權利要求16所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體的所述橫截面面積約為所述阻尼器的平均總橫截面面積的50％。
18.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體具有規則幾何形狀的橫截面。
19.如權利要求18所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體是圓柱形的。
20.如權利要求18所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體具有方形橫截面。
21.如權利要求18所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體具有矩形橫截面。
22.如權利要求18所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體具有橢圓形橫截面。
23.如權利要求1至17中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體具有幾何形狀變化的橫截面。
24.如權利要求23所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體，從側視圖看時，具有砂漏形狀。
25.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述阻尼器具有規則幾何形狀的橫截面。
26.如權利要求25所述的能量吸收器，其特征在于，所述規則橫截面是圓形的。
27.如權利要求25所述的能量吸收器，其特征在于，所述規則橫截面是方形的。
28.如權利要求25所述的能量吸收器，其特征在于，所述規則橫截面是矩形的。
29.如權利要求25所述的能量吸收器，其特征在于，所述規則橫截面是橢圓形的。
30.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，在每一所述端板的內表面和所述公共端板的內表面與每一所述剪切阻尼器的芯體端部之間具有一種結合。
31.如權利要求30所述的能量吸收器，其特征在于，所述結合是一種機械結合。
32.如權利要求31所述的能量吸收器，其特征在于，所述機械結合是通過對所述端板的內表面刻上凹槽形成的。
33.如權利要求32所述的能量吸收器，其特征在于，所述凹槽是圓形或螺旋形狀的。
34.如權利要求30所述的能量吸收器，其特征在于，所述結合通過釬焊形成。
35.如權利要求30所述的能量吸收器，其特征在于，所述結合通過粘接形成。
36.如權利要求30所述的能量吸收器，其特征在于，所述結合通過熱補橡膠形成。
37.如權利要求32所述的能量吸收器，其特征在于，所述凹槽具有直線凹槽形式，并與由所述吸收器阻尼的力的運動方向成直角。
38.如權利要求32所述的能量吸收器，其特征在于，所述凹槽具有直線凹槽形式，并與由所述吸收器阻尼的力的運動方向成任意角度。
39.如權利要求32的能量吸收器，其特征在于，所述凹槽是由噴丸處理或噴砂產生的。
40.如權利要求32的能量吸收器，其特征在于，所述凹槽具有圖3a-d中說明的任何一種形狀。
41.如權利要求1-19、25、26和30-40中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述芯體是圓柱形的，而剛性板和彈性材料的所述交錯層則形成一個套于其上的環。
42.如權利要求1、2和7-41中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，每一所述芯體是鉛的，而所述水力靜壓從約5MPa至約80MPa。
43.如權利要求42所述的能量吸收器，其特征在于，所述水力靜壓等于約從10MPa至30MP。
44.如權利要求42所述的能量吸收器，其特征在于，所述水力靜壓約為50MPa。
45.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述芯體包含鑲嵌于其中的元件，元件材料硬于芯體材料，從而在阻尼期間減少芯體材料的遷移。
46.如權利要求46所述的能量吸收器，其特征在于，所述元件布置成能在所述芯體的變形平面中提供剛度。
47.如權利要求45或46所述的能量吸收器，其特征在于，所述芯體是鉛，而所述元件是金屬、碳纖維、玻璃纖維，或其它硬于鉛的材料。
48.如權利要求45至47中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述元件的形狀為桿、線、帶、網、盤、或類似形狀。
49.如權利要求45至48中任一權利要求所述的能量吸收器，其特征在于，所述元件包括在所述疊層結構物中的所述剛性板，所述剛性板通過可塑性變形材料的所述芯體、基本橫越每一所述剪切阻尼器的整個橫截面而延伸，從而所述芯體是間隔的，由芯體材料和剛性板的交錯層構成。
50.一種能量吸收器，該能量吸收器包括兩對剪切阻尼器，每對剪切阻尼器背對背地沿一條公共軸線而安裝，每一所述阻尼器包括一對剛性的端板、一件由能相互滑移剛性板構成的疊層結構物、以及一個可塑性變形材料制成的芯體，芯體放置在從所述端板一端的內表面至另一所述端板的內表面的、穿過所述剛性板的中心孔中；裝置，用于相互相向推動每一所述對的所述端板，以便將每一所述芯體保持在至少趨近所述可塑性變形材料的剪切屈服應力的水力靜壓下；這兩塊位于每一所述阻尼器對遠端的端板是相互連接的；每一所述對的這兩臺阻尼器在它們的毗鄰端部具有一塊公共端板，一對所述對的所述公共端板連接至第一結構物上，而第二奪所述對的所述公共端板連接至第二結構物上；在每臺所述阻尼器中，芯體的平均橫截面面積約為每一所述阻尼器的平均總橫截面面積的5％至95％；此布置和結構是這樣的，即在應用所述能量吸收器中，當與第一和第二結構物或部分結構物連接時，阻尼其間的相對運動。
51.如前述權利要求中任一權利要求所述的能量吸收器，該能量吸收器與兩件結構物或一件結構物的兩個部分相結合，以阻尼其間的運動。
52.一種阻尼方法，用于阻尼兩件結構物之間、或一件結構物的兩個部分之間的相對運動，此阻尼方法包括選擇一臺如權利要求1-50中任一權利要求所述的、具有能量吸收性能的能量吸收器，以阻尼預計作用在所述兩件結構物或一件結構物的兩個部分上的力，以及將所述能量吸收器的相應連接構件連接至所述兩件結構物或一件結構物的兩個部分上。
53.一種方法，用于生產如權利要求1、2和7-50中任一權利要求所述的能量吸收器，此種方法包括由一塊所述端板和一些所述剛性板以及所述彈性材料(如出現的話)制成疊層制件；將阻尼材料塞插入所述阻尼器的芯體中，并將另一所述端板固定在所述疊層制件上；使所述阻尼器的所述端板承受一個壓力，且承受壓力的時間足以使所述阻尼材料變形進入通過毗連所述芯體的所述剛性板和彈性材料的中心孔側的間隙中，并進入所述阻尼器的端板內表面的截痕中。
54.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述阻尼材料是鉛，而所述端板承受的壓力至少為50MPa。
55.如權利要求54所述的方法，其特征在于，所述壓力至少要作用5分鐘。
56.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述阻尼材料是鉛，而所述端板承受的壓力至少為100MPa。
全文摘要
一種能量吸收器,它的最簡單實施例是一對背對背安裝在一條公共軸線的剪切阻尼器。每臺剪切阻尼器具有一個由諸如鉛制成的中心芯體,它被一件由剛性板、最好是被彈性材料隔開的剛性板制成的疊層結構物所包圍。芯體和圍繞的疊層制件被壓緊在一對遠端板和一塊由兩個阻尼器共用的端板之間。公共端板可連接至一件結構構件,而遠端板連接至另一件結構構件,以阻尼它們之間的相對運動。吸收器能阻尼由風力至地震等力引起的多種運動直至振動,一般講,如在重型機械、滾動座架或壓力水管中的振動。
文檔編號F16F1/50GK1224489SQ97191678
公開日1999年7月28日 申請日期1997年1月13日 優先權日1996年1月12日
發明者威廉·亨利·魯濱遜 申請人:魯濱遜地震有限公司