1.本发明属于土木工程结构振动控制技术领域，尤其是涉及一种电磁调控的半主动冲击阻尼器。
背景技术：
2.现阶段在土木工程领域，结构振动控制技术在抗震、抗风中发挥着重要的作用。根据对外部能量输入的需求，振动控制分为被动控制，主动控制和半主动控制。其中，调谐质量阻尼器(tmd)等被动控制系统由于具有概念明确、易于实施且无需外部能量输入等优势已在土木工程中成熟应用。然而，传统线性阻尼器自身存在诸多缺陷，例如减振频带较窄、鲁棒性较差以及阻尼元件使用年限受限等。为了弥补传统tmd的缺陷，引入非线性碰撞机制是一种行之有效的方式，通过非线性冲击力干扰原结构的振幅积累过程，在一定程度上能够有效降低结构响应。然而，这类非线性碰撞耗能系统仍属于被动控制的范畴，无法有效应对宽频激励，达到更好的冲击减振效果。
技术实现要素：
3.本发明的目的就是为了克服上述传统被动型减振装置存在的缺陷而提供一种电磁调控的半主动冲击阻尼器。
4.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
5.一种电磁调控的半主动冲击阻尼器，整体安装于所需振动控制的主体结构上，包括外箱和安装于外箱内的运动系统和设备系统。所述运动系统包括冲击块、冲击轨道和冲击反弹机构；所述外箱的内部安装有为冲击块提供驱动力的永磁体；所述冲击反弹机构安装于冲击轨道的底部，冲击反弹机构的顶部能从冲击轨道伸出，冲击轨道内部设置电磁铁；所述冲击块受到永磁体、电磁铁和设备系统的调控在冲击轨道的上方实现悬浮与冲击碰撞。
6.进一步地，所述的外箱由抗磁干扰的材料密封制成，防止外部环境磁场对阻尼器内部控制系统的干扰。
7.进一步地，所述的外箱的顶部内侧间隔安装多个永磁体，永磁体之间留有间隙。更进一步地，永磁体的磁性与冲击块的磁性相反。当受控主体结构振动时，永磁体为冲击块提供驱动力。
8.进一步地，所述的冲击轨道安装于外箱的内侧壁，冲击轨道顶部设置多个碰撞板，冲击轨道内部设置多个电磁铁，使冲击块实现悬浮功能与冲击碰撞功能。更进一步地，所述碰撞板包括中部碰撞板和端部碰撞板。
9.进一步地，所述电磁铁的磁性大小与方向应能使冲击块静止时悬浮于冲击轨道的顶部。
10.进一步地，所述的冲击反弹机构设置有内部不规则的筒体，筒体底部安装复位电磁。所述筒体内安装有压缩弹簧，压缩弹簧的顶部与拉杆固定连接。所述拉杆顶部安装复位
弹簧和异形弹簧，所述复位弹簧的顶部安装伸缩柱，伸缩柱的底部穿过异形弹簧顶部的孔洞，伸缩柱的顶部从冲击轨道底部的孔洞伸出。
11.进一步地，所述筒体的内壁设有凸出的平台，压缩弹簧安装于突出的平台上。
12.进一步地，所述筒体的内部设有凹槽，初始状态下的异形弹簧的一侧被卡在凹槽中。
13.进一步地，所述伸缩柱的顶部能从伸出筒体上端的孔洞穿出，伸缩柱的底部设有凸出的平台用于限制伸缩柱整体在筒体内部上下伸缩。
14.进一步地，所述筒体内侧壁安装有用于识别拉杆位置信息的监测单元，监测单元与复位电磁连接。
15.进一步地，所述的拉杆的底部由磁性金属制成，能够在复位电磁的作用下降落，恢复至其初始位置。
16.进一步地，所述冲击反弹机构具有不同的工作状态：初始预压状态，下压启动状态，向上反弹状态。
17.初始预压状态下，冲击反弹机构的压缩弹簧和异形弹簧均处于压缩状态，异形弹簧的一侧被卡在筒体内壁的凹槽中，拉杆的底部贴近复位电磁，伸缩柱的顶部略高于冲击轨道底部的孔洞。
18.下压启动状态下，伸缩柱下压使复位弹簧压缩，同时带动异形弹簧脱离筒体内壁的凹槽，伸缩柱的顶部与冲击轨道的孔洞对齐。
19.向上反弹状态下，压缩弹簧和复位弹簧在自身刚度作用下伸长，带动拉杆和伸缩柱向上运动，伸缩柱的顶部从冲击轨道的孔洞伸出，其伸出长度大于初始预压状态。
20.进一步地，所述复位电磁在冲击反弹机构完成向上反弹状态后，通过监测单元识别拉杆的位置信息，开启电磁吸附拉杆，使冲击反弹机构恢复至初始状态。
21.进一步地，所述的设备系统包括安装于外箱内侧壁的传感机构和控制机构，以及安装于外箱底部的电源。
22.进一步地，所述电源通过线路连接为传感机构、控制机构和冲击反弹机构提供电力。
23.进一步地，所述的传感机构采集主体结构和冲击块的运动信息，控制机构接收传感机构的信号并控制电磁铁的磁场。
24.更进一步地，所述的控制机构内设置最优冲击计算与控制程序，通过接收传感机构采集的结构与冲击块的运动信息(位移、速度、加速度等)，计算冲击块的最优冲击位置。
25.当冲击块随受控结构的运动产生水平方向运动时，电磁铁的强度不变，控制机构在特定时刻向电磁铁发送关闭电磁的指令，使冲击块在重力作用下下降并与碰撞板实现最优碰撞，从而达到最优减振效果。碰撞完成的同时，冲击块的底部下压冲击反弹机构并被反弹至原本的悬浮位置，并跟随结构运动。
26.当控制机构计算出的最优碰撞位置超出冲击轨道的行程时，冲击块与箱体的内壁发生碰撞。
27.本发明还提供一种电磁调控的半主动冲击阻尼器在土木工程结振动控制领域的应用，主要应用于超高层、高耸结构的振动控制。
28.本发明的电磁调控的半主动冲击阻尼器，主要应用于超高层、高耸、大跨度结构的
振动控制，在使用时固定于受控主体结构振动响应的最大位置。初始状态下电磁铁开启，冲击块悬浮于冲击轨道的顶部。当受控结构在外界环境激励下产生水平振动时，阻尼器随结构一起运动，冲击块在永磁体的作用下产生水平运动。传感机构采集结构与冲击块的位移、速度、加速度等运动信息，并通过控制机构计算出冲击块的碰撞位置，根据计算结果在特定时刻关闭电磁铁，使冲击块降落并与碰撞板发生碰撞，实现与结构间的有效动量交换与能量耗散。碰撞完成的同时，冲击块降落在冲击轨道上，冲击块的底部下压冲击反弹机构的伸缩柱，使冲击反弹机构从初始状态转变为下压启动状态、向上反弹状态，推动冲击块向上运动，使其恢复至原本的悬浮高度并继续跟随结构运动，同时复位电磁开启，使冲击反弹机构恢复至初始预压状态。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.(1)本发明的电磁调控的半主动冲击阻尼器，在永磁体、电磁铁和控制系统的调控下，使冲击块降落并与碰撞板发生碰撞，可以实现与主体结构间的有效动量交换与能量耗散，起到充分的减振效果。
31.(2)本发明中冲击反弹机构的设置为下落碰撞后的冲击块提供恢复至悬浮状态的向上驱动力，能够使冲击块在完成一次碰撞后更快地恢复至其悬浮高度，提高响应速度。相比于被动冲击阻尼器，减小了冲击单元进入稳态运动所需的启动时间，且有效消除了摩擦等因素对冲击时间的不利影响，提高了系统效率与稳定性。
32.(3)本发明的一种电磁调控的半主动冲击阻尼器，对外部能量调节能源需求更少，能够巧妙利用主体结构自身的振动能量为主体结构系统提供所需的作动力，实现了仅需少量能源便可换取较大出力的核心功能。
33.(4)本发明利用控制装置与主体结构的相对运动，通过改变控制设备的关键参数尽可能实现最优的外部控制力。通过监测结构的位移，基于可控电磁调整冲击阻尼器的净距，实现阻尼器参数的实时调节，灵活调整冲击时间点，从而应对复杂的外部激励(地震、风等)。因此，本发明无需预知外界激励的特性和结构自身的动力特性，而且在结构线性和非线性状态下均能高效工作，不仅有效弥补了传统碰撞耗能技术频带窄、控制效果不稳定的固有缺陷，拓宽其减振频带，而且大大提升了控制系统的鲁棒性。
附图说明
34.图1为本发明电磁调控的半主动冲击阻尼器的内部结构示意图。
35.图2为本发明电磁调控的半主动冲击阻尼器a-a截面的剖视图。
36.图3为本发明电磁调控的半主动冲击阻尼器的冲击反弹机构示意图。
37.图4为本发明电磁调控的半主动冲击阻尼器的冲击反弹机构b-b截面的剖视图。
38.图5为本发明电磁调控的半主动冲击阻尼器的冲击反弹机构的工作状态示意图。
39.图中标记说明：
40.1-外箱，2-运动系统，3-设备系统，4-冲击块，5-冲击轨道，6-冲击反弹机构，7-碰撞板，7-中部碰撞板，7b-端部碰撞板，8-电磁铁，9-传感机构，10-控制机构，11-电源，12-永磁体，13-筒体，14-复位电磁，15-监测单元，16-压缩弹簧，17-拉杆，18-复位弹簧，19-异形弹簧，20-伸缩柱。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
42.实施例1：
43.本实施例的一种电磁调控的半主动冲击阻尼器，整体安装于所需振动控制的主体结构上，包括外箱1和安装于外箱1内的运动系统2和设备系统3。其中，运动系统2包括冲击块4、冲击轨道5和冲击反弹机构6。外箱1的内部安装有为冲击块4提供驱动力的永磁体12。冲击反弹机构6安装于冲击轨道5的底部，冲击反弹机构6的顶部通过冲击轨道5伸出，冲击轨道5内部设置电磁铁8。冲击块4受到永磁体12、电磁铁8和设备系统3的调控在冲击轨道5的上方实现悬浮与冲击碰撞。
44.实施例2：
45.本实施例的电磁调控的半主动冲击阻尼器，主要应用于超高层、高耸结构的振动控制，在使用时固定于受控主体结构振动响应的最大位置，即整体安装于超高层、高耸结构的顶部以控制一阶模态为主的振动。本实施例的半主动冲击阻尼器由外箱1，安装于外箱内的运动系统2和设备系统3组成，内部结构示意图如图1和图2所示。
46.其中，外箱1由抗磁干扰的石墨烯泡沫材料密封制成，以防止外部环境磁场对阻尼器内部控制系统的干扰。外箱1的顶部内侧间隔安装多个永磁体12，永磁体12之间留有间隙，且永磁体12的磁性与运动系统2中冲击块4的磁性相反。当受控主体结构振动时，永磁体12可以为冲击块4提供驱动力。
47.运动系统2由冲击块4、冲击轨道5和冲击反弹机构6组成。冲击轨道5安装于外箱1的内侧壁，顶部设置多个碰撞板7(包括中部碰撞板7a和端部碰撞板7b)，内部设置多个电磁铁8，电磁铁8的磁性大小与方向应能使冲击块4静止时悬浮于冲击轨道5的顶部。冲击反弹机构6安装于冲击轨道5的底部，冲击反弹机构6的顶部通过冲击轨道5伸出，冲击块4受到永磁体12、电磁铁8和设备系统3的调控在冲击轨道5的上方实现悬浮与冲击碰撞。
48.冲击反弹机构6的结构示意图如图3和图4所示，其设置有内部不规则的筒体13，筒体13底部安装复位电磁14。筒体13的内壁设有凸出的平台，压缩弹簧16安装于突出的平台上。压缩弹簧16的顶部与拉杆17固定连接。拉杆17的底部由磁性金属制成，能够在复位电磁14的作用下降落，恢复至其初始位置。筒体13的内侧壁安装有用于识别拉杆17位置信息的监测单元15，监测单元15与复位电磁14连接。拉杆17的顶部安装复位弹簧18和异形弹簧19，在初始状态下异形弹簧19的一侧被卡在筒体13内壁的凹槽中。复位弹簧18的顶部安装伸缩柱20，伸缩柱20的底部穿过异形弹簧19顶部的空洞，伸缩柱20的顶部从冲击轨道5底部的孔洞伸出。伸缩柱20的顶部能从伸出筒体13上端的孔洞穿出，伸缩柱20的底部设有凸出的平台用于限制伸缩柱20整体在筒体13内部上下伸缩
49.冲击反弹机构6具有不同的工作状态：初始预压状态，下压启动状态，向上反弹状态。如图5所示，在初始预压状态下，冲击反弹机构6的压缩弹簧16和异形弹簧19均处于压缩状态，异形弹簧19的一侧被卡在筒体13内壁的凹槽中，拉杆17的底部贴近复位电磁14，伸缩柱20的顶部略高于冲击轨道5底部的孔洞；下压启动状态下，伸缩柱20下压使复位弹簧18压缩，同时带动异形弹簧19脱离筒体内壁的凹槽，伸缩柱20的顶部与冲击轨道5的孔洞对齐；
向上反弹状态下，压缩弹簧16和复位弹簧18在自身刚度作用下伸长，带动拉杆17和伸缩柱20向上运动，伸缩柱20的顶部从冲击轨道5的孔洞伸出，其伸出长度大于初始预压状态。当复位电磁14在冲击反弹机构6完成向上反弹状态后，通过监测单元15识别拉杆17的位置信息，开启电磁吸附拉杆17，使冲击反弹机构6恢复至初始状态。
50.设备系统3包括安装于外箱内侧壁的传感机构9和控制机构10，以及安装于外箱底部的电源11。电源11通过线路连接为传感机构9、控制机构10和冲击反弹机构6提供电力。其中，传感机构9为集合型传感机构，由能分别采集高层/高耸结构及冲击块4的位移、速度、加速度的传感器组成，用于采集主体结构和冲击块4的运动信息，并向控制机构10发送信号，从而控制电磁铁8磁场的开闭。当冲击块4随受控结构的运动产生水平方向运动时，电磁铁8的强度不变，控制机构10向电磁铁8发送关闭电磁的指令，使冲击块4在重力作用下下降并与碰撞板5碰撞。碰撞完成的同时，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6并被反弹至原本的悬浮位置，并跟随结构运动。
51.本实施例还提供一种高层主体结构的减振方法，该减振方法使用了本实施例中的电磁调控的半主动冲击阻尼器，其减振的工作原理如下。
52.初始预压状态下电磁铁8开启，冲击块4悬浮于冲击轨道5的顶部。当高层主体结构在外界环境激励下产生水平振动时，阻尼器随结构一起运动，冲击块4在永磁体12的作用下产生水平运动。集合型的传感机构9可以分别采集高层结构与冲击块4的运动信息，并将信号传递给控制机构10，通过控制机构10关闭电磁铁8，使冲击块4降落并与碰撞板5发生碰撞，实现与高层主体结构间的有效动量交换与能量耗散。碰撞完成的同时，冲击块4降落在冲击轨道5上，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6的伸缩柱20，使冲击反弹机构6从初始状态转变为下压启动状态和向上反弹状态，推动冲击块4向上运动，使其恢复至原本的悬浮高度并继续跟随高层主体结构运动。同时复位电磁14开启，使冲击反弹机构6恢复至初始预压状态。
53.实施例3：
54.本实施例的电磁调控的半主动冲击阻尼器，应用于超高层、高耸结构的振动控制，整体安装于高层结构的顶部。与实施例2的不同之处在于，本实施例中的控制机构10设置了最优冲击计算与控制程序，通过接收传感机构9采集的结构与冲击块的位移、速度、加速度等运动信息，确定冲击块4的最优冲击位置。最优冲击控制策略为：(1)在主体结构速度最大或者位移回到零点的时刻发生碰撞；(2)发生碰撞时，主体结构的速度必须与冲击块4的相对速度方向相反，且一个荷载周期内碰撞两次。为了清楚表述本实施例中的最优冲击控制策略，将冲击过程分解为多个阶段：
55.(1)初始阶段，冲击块4随受控结构的运动产生水平方向运动，电磁铁8的强度不变。
56.(2)判断碰撞时刻点，让冲击块4与主体结构在结构位移穿越位移零点时发生碰撞。通过传感机构9采集的位移、速度与加速度等信息，控制机构10计算主体结构回到位移零点时所需要的时间。
57.(3)监测冲击块4速度的方向，并依据碰撞板7的位置信息选择该方向上的目标碰撞点位置。若目标碰撞点位置超出冲击轨道5行程范围，则冲击位置为外箱1的内壁。
58.(4)当确定响应的目标碰撞点后，确定电磁铁8合适的断电时刻。监测冲击块4的高
度，计算冲击块4在重力作用下的下降时间，并考虑电磁铁8的时滞，计算确定断电时刻，控制机构10在该断电时刻向电磁铁8发送关闭电磁的指令，使冲击块4在重力作用下下降并与碰撞板5碰撞，实现最优冲击策略，从而达到最优减振效果。
59.(5)碰撞完成的同时，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6并被反弹至原本的悬浮位置，并跟随结构继续运动。冲击反弹机构6的设置为冲击块4提供一个自动回弹力，无需再通过监测受控结构与冲击块4的运动速度来判断碰撞是否结束，避免了该过程中控制程序计算及响应所产生的时滞的影响。
60.本实施例中电磁调控的半主动冲击阻尼器的工作原理如下。
61.初始预压状态下电磁铁8开启，冲击块4悬浮于冲击轨道5的顶部。当高层主体结构在外界环境激励下产生水平振动时，阻尼器随主体结构一起运动，冲击块4在永磁体12的作用下产生水平运动。传感机构9采集高层结构与冲击块4的位移、速度、加速度等运动信息，并通过控制机构10中的最优冲击计算程序计算出冲击块4的碰撞位置，根据计算结果在特定时刻关闭电磁铁8，使冲击块4降落并与碰撞板5发生碰撞，实现与高层主体结构间的有效动量交换与能量耗散。碰撞完成的同时，冲击块4降落在冲击轨道5上，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6的伸缩柱20，使冲击反弹机构6从初始状态转变为下压启动状态和向上反弹状态，推动冲击块4向上运动，使其恢复至原本的悬浮高度并继续跟随高层主体结构运动。同时复位电磁14开启，使冲击反弹机构6恢复至初始预压状态。
62.实施例4：
63.本实施例的一种电磁调控的半主动冲击阻尼器，包括外箱1和安装于外箱1中的运动系统2和设备系统3。其中，外箱1的顶部内侧间隔安装多个永磁体12。运动系统2包括冲击块4、冲击轨道5和冲击反弹机构6，冲击轨道5固定于外箱1的内侧壁，顶部设置多个碰撞板7，内部设置多个电磁铁8，使冲击块4实现悬浮功能与冲击碰撞功能。冲击反弹机构6安装于冲击轨道5的底部，为下落碰撞后的冲击块4提供恢复至悬浮状态的向上驱动力。设备系统3包括安装于外箱1内侧壁的传感机构9和控制机构10，以及安装于外箱1底部的电源11。
64.冲击反弹机构6设置一个内部不规则的筒体13，筒体13底部安装复位电磁14，内侧壁安装监测单元15。筒体13内部设置一个压缩弹簧16，压缩弹簧16底部固定于筒体13内部延伸出的平台上，顶部与拉杆17固定连接。拉杆17顶部安装一个复位弹簧18和异形弹簧19。复位弹簧18顶部安装伸缩柱20，伸缩柱20的底部穿过异形弹簧19顶部的孔洞，顶部从冲击轨道5底部的孔洞伸出。
65.冲击反弹机构6具有不同的工作状态：初始预压状态，下压启动状态，向上反弹状态。初始预压状态下，冲击反弹机构6的压缩弹簧16和异形弹簧19均处于压缩状态，异形弹簧19的一侧被卡在筒体13内壁的凹槽中，拉杆17的底部贴近复位电磁14，伸缩柱20的顶部略高于冲击轨道5底部的孔洞；下压启动状态下，伸缩柱20下压使复位弹簧18压缩，同时带动异形弹簧19脱离筒体13内壁的凹槽，伸缩柱20的顶部与冲击轨道5的孔洞对齐；向上反弹状态下，压缩弹簧16和复位弹簧18在自身刚度作用下伸长，带动拉杆17和伸缩柱20向上运动，伸缩柱20的顶部从冲击轨道5的孔洞伸出，其伸出长度大于初始预压状态。冲击反弹机构6的设置能够使冲击块4在完成一次碰撞后更快地恢复至其悬浮高度，提高响应速度。
66.复位电磁14在冲击反弹机构6完成向上反弹状态后，通过监测单元15识别拉杆17的位置信息，开启电磁吸附拉杆17，使冲击反弹机构6恢复至初始状态。
67.控制机构10内设置最优冲击计算与控制程序，通过接收传感机构9采集的结构与冲击块4的运动信息(位移、速度、加速度等)，计算冲击块的最优冲击位置，控制电磁铁8的磁场，实现冲击块4与碰撞板7的最优碰撞，从而达到最优减振效果。
68.外箱1由抗磁干扰的石墨烯泡沫材料密封制成，防止外部环境磁场对阻尼器内部控制系统的干扰。永磁体12安装于外箱顶部内侧，彼此之间留有间隙，其磁性与冲击块4磁性相反，当受控结构振动时，为冲击块4的提供驱动力。
69.电磁铁8的磁性大小与方向应能使冲击块4静止时悬浮于冲击轨道5的顶部，当冲击块4随受控结构的运动产生水平方向运动时，电磁铁8的强度不变，控制机构10基于传感机构9采集的运动信息计算最优冲击位置，并依据计算结果在特定时刻向电磁铁8发送关闭电磁的指令，使冲击块4在重力作用下下降并与碰撞板7碰撞，碰撞完成的同时，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6并被反弹至原本的悬浮位置，并跟随结构运动。
70.电源11通过线路连接为传感机构9、控制机构10和冲击反弹机构6提供电力。
71.拉杆17底部由磁性金属制成，能够在复位电磁14的作用下降落，恢复至其初始位置。
72.碰撞板7包括中部碰撞板7a和端部碰撞板7b，当控制机构10计算出最优碰撞位置超出冲击轨道5的行程时，冲击块4与箱体1的内壁发生碰撞。
73.本实施例的工作原理为：
74.本实施例的一种电磁调控的半主动冲击阻尼器，在使用时固定于受控主体结构振动响应的最大位置，图1中x方向为主要控制方向。初始状态下电磁铁8开启，冲击块4悬浮于冲击轨道5的顶部。当受控结构在外界环境激励下产生水平振动时，阻尼器随结构一起运动，冲击块4在永磁体12的作用下产生水平运动。传感机构9采集结构与冲击块4的位移、速度、加速度等运动信息，并通过控制机构10中的最优冲击计算程序计算出冲击块4的碰撞位置，根据计算结果在特定时刻关闭电磁铁8，使冲击块4降落并与碰撞板7发生碰撞，实现与结构间的有效动量交换与能量耗散。碰撞完成的同时，冲击块4降落在冲击轨道5上，冲击块4的底部下压冲击反弹机构6的伸缩柱20，使冲击反弹机构6从初始状态转变为下压启动状态、向上反弹状态，推动冲击块4向上运动，使其恢复至原本的悬浮高度并继续跟随结构运动，同时复位电磁14开启，使冲击反弹机构6恢复至初始预压状态。
75.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。