微型黏滯流體阻尼器理論研究范文

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《西北工業大學學報》2016年第一期

摘要:

研制一種微型可調式黏滯流體阻尼器，提供可以調節的阻尼力。通過不同位移幅值、不同頻率以及不同循環的加載試驗，研究了可調式黏滯流體阻尼器的耗能參數和工作性能。同時，推導出阻尼力的理論計算公式，并與試驗結果進行對比，結果表明:可調式黏滯流體阻尼器具有良好的耗能性和抗低周疲勞性能，理論計算與試驗結果相近，表明文中提出的阻尼器具有較高的工作穩定性，且具有較好的密封性能。

關鍵詞:

微型可調式黏滯流體阻尼器;耗能參數;工作性能;加載試驗;阻尼力計算公式

結構的振動控制可以有效減輕結構在地震或者風荷載作用下所引起的反應和損傷，有效提高結構的抗災能力。國內對黏滯流體阻尼器的研究起步較晚，1999年，歐進萍等對間隙式黏滯流體阻尼器進行了力學性能試驗與理論研究，探討了不同類型黏滯流體的特性，在冪律流體本構關系的基礎上建立了黏滯阻尼器的阻尼力計算模型。東南大學葉正強、李愛群等對黏滯流體阻尼器的工作原理進行分析，提出雙出桿黏滯流體阻尼器的構造方法，并對其控制效果進行試驗研究［1］。以上研究主要對黏滯流體阻尼器的計算模型及組成材料進行研究。流體阻尼器通常采用單出桿和雙出桿形式，由于單出桿流體阻尼器在構造上存在缺陷，在活塞運動時會出現“真空”和“頂死”現象，使阻尼器產生的阻尼力不穩定。此外，在對建筑物進行縮尺模型試驗中對阻尼器的力學性能要求較高，用于實體結構的阻尼器在模型試驗這種小體積、小行程條件下不能發揮明顯作用。因此，本文提出一種新型微型黏滯流體阻尼器，采用雙出桿形式，在阻尼器兩端增加導流管，避免了雙出桿流體阻尼器阻尼力不可調的弊端，應用范圍更廣。

1阻尼器的結構設計

微型可調式黏滯阻尼器采用雙出桿形式，由油缸、活塞、活塞桿、黏滯介質、導流管、調節閥、密封件及連接件等組成(如圖1所示)，其中油缸內徑D1=53mm，活塞桿直徑D2=12．5mm，導流管直徑d=16．5mm，調節閥進流口直徑d2=9mm，導流管長度L=200mm。阻尼器油缸內黏滯介質采用46#液壓油，阻尼器活塞采用密閉形式。調節閥水平總旋轉圈數為9圈，調節閥旋轉單圈過程中閥芯豎向行程為1mm，將調節閥旋轉劃分為20個刻度。阻尼器在運行過程中，通過活塞桿壓縮黏滯介質，使流體通過導流管流經調節閥，由調節閥控制流體流量從而調節阻尼器阻尼力輸出的大小。

2阻尼力的數學推導

為了更為準確地揭示可調式微型黏滯流體阻尼器的控制性能，首先需要確定其恢復力模型。從阻尼器的構造及試驗數據可知此可調式黏滯流體阻尼器具有非線性特性，使用的液壓油屬于牛頓流體，則輸出阻尼力與活塞運動速度的關系可從能量耗散角度進行分析［2］。當液壓油從缸筒進入導流管時，此階段的能量損耗主要包括黏滯摩擦損耗和流體動能變化引起的附加能量損失。

3阻尼器的試驗與分析

試驗在型號為INSTRON8871疲勞試驗機上進行，在環境溫度20℃的情況下，對可調式微型黏滯阻尼器在調節閥閥芯行程不同的情況下進行抗低周循環加載試驗(10圈)和抗低周疲勞性能試驗(60圈)，試驗按照TriangleWave進行系統加載，通過控制不同的加載頻率(0．25Hz、0．5Hz、0．75Hz、1．0Hz、1．25Hz、1．5Hz)和位移幅值(±10mm、±8mm、±6mm)，分別測得相應的阻尼力-位移關系曲線。

3．1滯回耗能性能經過加載選取具有代表性的2組滯回曲線(振幅均為±10mm)如圖2所示。可以看出阻尼器的力-位移滯回曲線近似于矩形并且十分飽滿，說明可調式黏滯流體阻尼器具有良好的耗能性。同時阻尼器經10圈往復循環后的滯回環幾乎與初始滯回環重合，也證明該阻尼器的耗能性穩定。從圖中可知，在F=0附近出現拐點，究其原因主要由于試驗中無法對支座連接處做絕對剛接處理，導致阻尼器在該處出現一定轉動;但這不影響對阻尼器耗能性能和穩定性的評定。

3．2性能影響參數影響可調式黏滯流體阻尼器性能的參數主要有加載頻率、加載位移和調節閥芯行程。圖3為相同加載位移和調節閥芯行程、不同加載頻率下的滯回曲線對比，其中位移幅值為±10mm的情況下，加載頻率取0．25Hz、0．5Hz、0．75Hz對應的最大阻尼輸出力分別為0．213kN、0．354kN和0．613kN。圖4為相同加載頻率和調節閥芯行程、不同加載位移下的滯回曲線對比，其中加載頻率為0．75Hz，加載位移幅值分別為±10mm、±8mm和±6mm的情況下，最大阻尼輸出力為0．613kN、0．459kN、0．302kN。由圖3、圖4可知，同等條件下，可調式黏滯流體阻尼器的阻尼力和滯回環面積隨加載頻率、加載位移的增大而逐漸增加，說明該阻尼器為速度相關型阻尼器，具備基本黏滯阻尼器的參數變化規律。此外，從試驗中可知，調節閥芯行程越小，阻尼器滯回曲線面積越大，證明黏阻尼器輸出阻尼力的可調節性。

3．3抗低周疲勞性能試驗中在完成10圈往復循環的力學性能測試后，進行60圈往復循環的抗低周疲勞性能試驗，由圖5a)看出，經過10圈阻尼器往復循環試驗后，各工況阻尼器耗能能力的衰減幅度很小，基本沒有變化。圖5b)為經過60圈往復循環性能試驗后阻尼器最大輸出力情況，阻尼器仍具有穩定的滯回環形狀，且其面積較初始滯回環面積無顯著差異，阻尼器耗能能力的衰減幅度也是在規范要求的15%范圍以內。如在衰減最顯著的工況(h=3．0mm，f=1．0Hz，A=10mm)下，初始最大輸出力為0．8492kN，60圈往復加載后最大輸出力為0．7556KN，下降幅度為11．0%;在工況h=6．0mm，f=1．0Hz，A=10mm下，初始最大輸出力為0．6317kN，60圈往復加載后最大輸出力為0．6009kN，下降幅度為4．9%，以上均符合規范限值要求。

4阻尼器的理論值與試驗值對比

結合試驗結果，采用數據擬合方法給出阻尼器的阻尼系數和阻尼指數，根據第二部分所得阻尼力的數學表達，得到阻尼器在不同工況下的理論值。選取有代表性的0．5Hz、1．0Hz、1．5Hz頻率范圍內阻尼器最大輸出力的理論值與試驗值進行對比，如表1所示。可知，除極少數工況外，采用推導的計算模型得到的理論值與試驗值吻合度較高，誤差在規范要求的限值15%以內，說明可調式黏滯流體阻尼器輸出阻尼力理論計算式具有較高可信度。

5結論

本文研制一種新型可調式微型黏滯流體阻尼器，經過對其力學性能的研究可知:該阻尼器的參數滿足一般無剛度速度相關型黏滯阻尼器的變化規律，阻尼力-位移滯回曲線十分飽滿，耗能性較強，動力性能比較穩定，對振動作出耗能響應的反應敏感;經60圈抗低周往復循環試驗后，阻尼器耗能能力的衰減幅度均控制在規范要求的15%以內，且沒有出現明顯的疲勞現象，抗低周疲勞性較好;滯回耗能隨加載位移幅值、頻率的增加而增大，滯回環面積隨調節閥芯行程的變小而變大，反應阻尼器具有良好的調節性和工作效率;此外，將試驗結果與理論計算值相對比，證實該阻尼器輸出阻尼力計算式的正確性。綜上，可調式黏滯流體阻尼器作為一種高效減振裝置，可用于建筑物模型試驗研究及工程結構的抗震加固中。

作者：蔡婷 張洵安 連業達 王軍軍 單位：西北工業大學 力學與土木建筑學院