一种基于超材料设计的三维减隔震装置

本发明属于隔震装置，具体涉及一种基于超材料设计的三维减隔震装置。

背景技术：

1、馆藏浮放文物具有重要的文物和历史价值，保护意义重大。近年来，建筑结构的抗震能力有了明显提高，尽管建筑在地震中可能不会倒塌，但地震引起结构的剧烈振动可能导致搁置在地面或楼板上的文物展柜发生抛离、滑移、倾倒、碰撞等现象，使展柜损坏，甚至对展柜内的文物造成不可挽回的损失。由于在一般情况下，馆藏文物以浮放形式为主，文物很容易受到地震破坏，因此对文物进行减隔震设计是非常有必要的。

2、而我国现有的文物防震措施以传统的捆、支、粘、卡等形式为主，虽然在一定程度上可减小文物受到的地震作用，但也存在着加固效果差、破坏文物，影响外观等问题。

3、精密仪器以及精密设备隔振装置一般为线性隔振器，然而线性隔振器只有当外界激励的频率大于结构固有频率的倍时，振动传递率才小于1，此时隔振器才能发挥作用。传统的线性隔振器存在承载力与隔振性能之间的固有矛盾，即隔振器刚度提升会降低隔振带宽，隔振器刚度降低又会导致承载能力降低。

4、超材料是自然界中不存在的一类新型的人工微结构单元组成的人造功能性材料，其中力学超材料能通过调整结构实现超常材料属性，超材料的设计为非线性隔震提供了新思路。

5、因此，亟需发明一种基于超材料设计的三维减隔震装置以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其可以通过减隔震装置吸收地震能量，以应对由地震引起建筑结构的剧烈振动可能导致展柜发生抛离、滑移、倾倒、碰撞等状况，避免对文物造成不可挽回的损失，也可以在低频甚至超低频的震动下，保证精密仪器和设备的正常工作，从而可以有效解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于超材料设计的三维减隔震装置，包括水平减隔震底座和竖向减隔震平台，所述水平减隔震底座包括卡槽盒、下底板、滑动导轨和阻尼弹簧装置，所述卡槽盒包括底壁和自所述底壁竖向延伸的侧壁，所述下底板位于所述底壁和所述侧壁围成的收容空间内且与所述底壁平行间隔设置，所述滑动导轨配置于所述侧壁上且与所述侧壁可滑动连接，所述阻尼弹簧装置一端与所述下底板连接另一端与所述滑动导轨连接以使所述下底板可在水平横向和纵向两个方向上分别移动；所述竖向减隔震平台包括上顶板、仿生蜂窝结构和液压阻尼器，所述上顶板位于所述下底板上方且与所述下底板平行间隔设置，所述仿生蜂窝结构和所述液压阻尼器安装固定于所述下底板与所述上顶板之间。

4、作为本发明的一种优选改进，所述阻尼弹簧装置包括内部中空且具有一开口端的外套筒、配置于所述外套筒内且一端连接于所述外套筒的弹簧，以及一端自所述开口端插设于所述外套筒内并与所述弹簧另一端连接的传力杆，所述传力杆插设于所述外套筒内的一端与所述外套筒的内壁摩擦配合，所述传力杆的另一端与所述滑动导轨连接。

5、作为本发明的一种优选改进，所述滑动导轨上开设有小限位孔以用于安装固定所述传力杆，所述下底板上开设有大限位孔以用于安装固定所述外套筒。

6、作为本发明的一种优选改进，所述滑动导轨还包括滚珠轨道，所述滚珠轨道用于装配滚珠以使所述滑动导轨在所述侧壁上滑动。

7、作为本发明的一种优选改进，所述下底板上表面设有限位卡槽和限位短柱，所述限位卡槽用于安装固定所述液压阻尼器，所述限位短柱用于固定所述仿生蜂窝结构。

8、作为本发明的一种优选改进，所述仿生蜂窝结构为超材料，包括由增材制造技术制备且具有可调控准零刚度特性的两个仿生蜂窝端部结构和位于两个所述仿生蜂窝端部结构之间的仿生蜂窝内部结构，所述仿生蜂窝端部结构呈六边形且周围设置有凹凸槽齿轮结构，所述凹凸槽齿轮结构包括阳齿轮和阴齿轮，多个所述仿生蜂窝结构通过连接所述阴齿轮和所述阳齿轮耦合固定。

9、作为本发明的一种优选改进，所述液压阻尼器位于所述仿生蜂窝结构中间，并与所述仿生蜂窝结构并联。

10、作为本发明的一种优选改进，所述液压阻尼器包括长外套筒、套设于所述长外套筒内的长内套筒、配置于所述长内套筒内的复位弹簧以及与所述复位弹簧连接的活塞杆，所述长内套筒内部中空且套设于所述长外套筒内的一端开口，所述活塞杆的一端连接所述长外套筒的内壁，另一端插设于所述长内套筒内并穿过位于所述长内套筒内的液压缸、活塞和控制阀后与所述复位弹簧连接，所述液压缸内填充有阻尼介质。

11、作为本发明的一种优选改进，所述长外套筒通过螺纹连接所述下底板，所述长内套筒通过螺纹连接所述上顶板。

12、作为本发明的一种优选改进，所述竖向减隔震平台还包括预应力拉索装置，所述预应力拉索装置包括沿相同纵向方位安装于所述上顶板和所述下底板两相对设置的侧边上的滑轮底座、通过螺栓与所述滑轮底座连接的滑轮以及分别连接位于所述上顶板和所述下底板上的滑轮的钢丝。

13、本发明的有益效果如下：

14、1、本发明中的卡槽盒在水平地震波传来时，可以呈现横向和纵向两个方向的运动，并通过阻尼弹簧装置的减隔震作用大幅度削弱地面运动后，再传递给下底板，实现了水平方向减震；

15、2、本发明中的滑动导轨在传力震动时，传力杆通过与外套筒内壁摩擦接触可以实现耗能，当弹簧压缩或拉松较大时，会产生较大的反向阻力，从而扼制震动，同时弹簧在弹性范围内可以实现复位效果，保证阻尼弹簧装置的可重复使用性；

16、3、本发明提供的由超材料制成的具有准零刚度特性的仿生蜂窝结构能够在保持良好承载能力的同时拥有较低的振动传递率，并且液压阻尼器在震动时也能实现进一步的耗散竖向地震波能量；

17、4、本发明提供的基于超材料的三维减隔震装置具有良好的减隔震能力，可以适用于在不确定的地震作用下保护文物以及满足精密测量仪器的隔振需求，并且超材料的仿生蜂窝结构可以通过增材制造技术生产，尺寸设计自由度高，减隔震性能可控，易于装配，同时，水平减隔震底座和竖向减隔震平台中的耗能组件组装方便且均能更换，对于文物，在高效保护文物的同时可以减小震后修复装置成本；对于精密测量仪器，在保证提供足够承载能力的同时可以维持精密测量仪器稳定的状态。

技术特征：

1.一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，包括水平减隔震底座和竖向减隔震平台，所述水平减隔震底座包括卡槽盒、下底板、滑动导轨和阻尼弹簧装置，所述卡槽盒包括底壁和自所述底壁竖向延伸的侧壁，所述下底板位于所述底壁和所述侧壁围成的收容空间内且与所述底壁平行间隔设置，所述滑动导轨配置于所述侧壁上且与所述侧壁可滑动连接，所述阻尼弹簧装置一端与所述下底板连接另一端与所述滑动导轨连接以使所述下底板可在水平横向和纵向两个方向上分别移动；所述竖向减隔震平台包括上顶板、仿生蜂窝结构和液压阻尼器，所述上顶板位于所述下底板上方且与所述下底板平行间隔设置，所述仿生蜂窝结构和所述液压阻尼器安装固定于所述下底板与所述上顶板之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述阻尼弹簧装置包括内部中空且具有一开口端的外套筒、配置于所述外套筒内且一端连接于所述外套筒的弹簧，以及一端自所述开口端插设于所述外套筒内并与所述弹簧另一端连接的传力杆，所述传力杆插设于所述外套筒内的一端与所述外套筒的内壁摩擦配合，所述传力杆的另一端与所述滑动导轨连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述滑动导轨上开设有小限位孔以用于安装固定所述传力杆，所述下底板上开设有大限位孔以用于安装固定所述外套筒。

4.根据权利要求3所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述滑动导轨还包括滚珠轨道，所述滚珠轨道用于装配滚珠以使所述滑动导轨在所述侧壁上滑动。

5.根据权利要求1所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述下底板上表面设有限位卡槽和限位短柱，所述限位卡槽用于安装固定所述液压阻尼器，所述限位短柱用于固定所述仿生蜂窝结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述仿生蜂窝结构为超材料，包括由增材制造技术制备且具有可调控准零刚度特性的两个仿生蜂窝端部结构和位于两个所述仿生蜂窝端部结构之间的仿生蜂窝内部结构，所述仿生蜂窝端部结构呈六边形且周围设置有凹凸槽齿轮结构，所述凹凸槽齿轮结构包括阳齿轮和阴齿轮，多个所述仿生蜂窝结构通过连接所述阴齿轮和所述阳齿轮耦合固定。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述液压阻尼器位于所述仿生蜂窝结构中间，并与所述仿生蜂窝结构并联。

8.根据权利要求1所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述液压阻尼器包括长外套筒、套设于所述长外套筒内的长内套筒、配置于所述长内套筒内的复位弹簧以及与所述复位弹簧连接的活塞杆，所述长内套筒内部中空且套设于所述长外套筒内的一端开口，所述活塞杆的一端连接所述长外套筒的内壁，另一端插设于所述长内套筒内并穿过位于所述长内套筒内的液压缸、活塞和控制阀后与所述复位弹簧连接，所述液压缸内填充有阻尼介质。

9.根据权利要求8所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述长外套筒通过螺纹连接所述下底板，所述长内套筒通过螺纹连接所述上顶板。

10.根据权利要求1所述的一种基于超材料设计的三维减隔震装置，其特征在于，所述竖向减隔震平台还包括预应力拉索装置，所述预应力拉索装置包括沿相同纵向方位安装于所述上顶板和所述下底板两相对设置的侧边上的滑轮底座、通过螺栓与所述滑轮底座连接的滑轮以及分别连接位于所述上顶板和所述下底板上的滑轮的钢丝。

技术总结本发明公开了一种基于超材料设计的三维减隔震装置，属于隔震装置技术领域，包括水平减隔震底座和竖向减隔震平台，水平减隔震底座包括阻尼弹簧装置、卡槽盒、滑动导轨和下底板，所述下底板位于卡槽盒内，所述滑动导轨配置于卡槽盒侧壁上，所述阻尼弹簧装置一端与所述下底板连接，另一端与所述滑动导轨连接；竖向减隔震平台包括仿生蜂窝结构、液压阻尼器和上顶板，所述上顶板与所述下底板平行间隔设置，所述仿生蜂窝结构和所述液压阻尼器安装固定于所述下底板与所述上顶板之间。本发明解耦了地震水平作用和竖向作用，将水平变形和竖向变形集中在对应方向上，有效提高装置的减隔震效率，以应对由地震引起建筑结构的剧烈振动而可能导致的各种状况。技术研发人员：周绪红,邵宝承,柯珂,龚颖,张还阳受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18