可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器理論與試驗研究

蔡婷，張洵安，連業(yè)達，王軍軍

(西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院，陜西西安 710129)

可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器理論與試驗研究

蔡婷，張洵安，連業(yè)達，王軍軍

(西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院，陜西西安 710129)

研制一種微型可調(diào)式黏滯流體阻尼器，提供可以調(diào)節(jié)的阻尼力。通過不同位移幅值、不同頻率以及不同循環(huán)的加載試驗，研究了可調(diào)式黏滯流體阻尼器的耗能參數(shù)和工作性能。同時，推導(dǎo)出阻尼力的理論計算公式，并與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：可調(diào)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(jié)果相近，表明文中提出的阻尼器具有較高的工作穩(wěn)定性，且具有較好的密封性能。

微型可調(diào)式黏滯流體阻尼器；耗能參數(shù)；工作性能；加載試驗；阻尼力計算公式

結(jié)構(gòu)的振動控制可以有效減輕結(jié)構(gòu)在地震或者風荷載作用下所引起的反應(yīng)和損傷，有效提高結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力。國內(nèi)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(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)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(gòu)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(gòu)造上存在缺陷，在活塞運動時會出現(xiàn)“真空”和“頂死”現(xiàn)象，使阻尼器產(chǎn)生的阻尼力不穩(wěn)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(jié)構(gòu)的阻尼器在模型試驗這種小體積、小行程條件下不能發(fā)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(dǎo)流管，避免了雙出桿流體阻尼器阻尼力不可調(diào)的弊端，應(yīng)用范圍更廣。

1　阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型可調(diào)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(zhì)、導(dǎo)流管、調(diào)節(jié)閥、密封件及連接件等組成(如圖1所示)，其中油缸內(nèi)徑D1＝53 mm，活塞桿直徑D2＝12.5 mm，導(dǎo)流管直徑d＝16.5 mm，調(diào)節(jié)閥進流口直徑d2＝9 mm，導(dǎo)流管長度L＝200 mm。阻尼器油缸內(nèi)黏滯介質(zhì)采用46＃液壓油，阻尼器活塞采用密閉形式。調(diào)節(jié)閥水平總旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為9圈，調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)單圈過程中閥芯豎向行程為1 mm，將調(diào)節(jié)閥旋轉(zhuǎn)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(zhì)，使流體通過導(dǎo)流管流經(jīng)調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥控制流體流量從而調(diào)節(jié)阻尼器阻尼力輸出的大小。

圖1　可調(diào)式黏滯流體阻尼器剖面圖

2　阻尼力的數(shù)學推導(dǎo)

為了更為準確地揭示可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器的控制性能，首先需要確定其恢復(fù)力模型。從阻尼器的構(gòu)造及試驗數(shù)據(jù)可知此可調(diào)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(guān)系可從能量耗散角度進行分析［2］。

當液壓油從缸筒進入導(dǎo)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。此部分能量損耗可表示為：

式中，ū為流體在導(dǎo)流管中平均流速，d為導(dǎo)流管直徑，μ為液壓油動力黏度，l1為進口起始段長度。k值約為1.16～1.33［3］，本文取1.2。

當液壓油進入導(dǎo)流管后，為簡化分析，近似將導(dǎo)流管看做水平通道，忽略重力影響。由Navier-Stokers方程可推知此部分能量損耗為

式中，l充分發(fā)展段長度。且l1＋l＝L，L為導(dǎo)流管長度。

根據(jù)流動流體的動量定理和細管及大容器斷面的伯努利方程，可得出流斷面擴大的能量損耗為

式中，A1為導(dǎo)流管內(nèi)截面積，A2為調(diào)節(jié)閥處出流面積。

由此，牛頓流體在阻尼器中運動的總能量損耗可表示為

設(shè)流體在流經(jīng)通道前后壓降為Δp，由(1)式～(4)式得

根據(jù)流量守恒定律，又由輸出阻尼力與壓降的關(guān)系有

式中，r＝d2/2，h為調(diào)節(jié)閥閥芯行程。最后，聯(lián)立(5)式～(7)式得到可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器以牛頓流體為阻尼介質(zhì)的非線性力-變形的關(guān)系表達式

且由調(diào)節(jié)閥閥芯行程變化，有

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(huán)境溫度20℃的情況下，對可調(diào)式微型黏滯阻尼器在調(diào)節(jié)閥閥芯行程不同的情況下進行抗低周循環(huán)加載試驗(10圈)和抗低周疲勞性能試驗(60圈)，試驗按照Triangle Wave進行系統(tǒng)加載，通過控制不同的加載頻率(0.25 Hz、0.5 Hz、0.75 Hz、1.0 Hz、1.25 Hz、1.5 Hz)和位移幅值(±10 mm、±8 mm、± 6 mm)，分別測得相應(yīng)的阻尼力-位移關(guān)系曲線。

3.1滯回耗能性能

經(jīng)過加載選取具有代表性的2組滯回曲線(振幅均為±10 mm)如圖2所示。

圖2　可調(diào)式黏滯流體阻尼器的滯回曲線

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(diào)式黏滯流體阻尼器具有良好的耗能性。同時阻尼器經(jīng)10圈往復(fù)循環(huán)后的滯回環(huán)幾乎與初始滯回環(huán)重合，也證明該阻尼器的耗能性穩(wěn)定。從圖中可知，在F＝0附近出現(xiàn)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(dǎo)致阻尼器在該處出現(xiàn)一定轉(zhuǎn)動；但這不影響對阻尼器耗能性能和穩(wěn)定性的評定。

3.2性能影響參數(shù)

影響可調(diào)式黏滯流體阻尼器性能的參數(shù)主要有加載頻率、加載位移和調(diào)節(jié)閥芯行程。圖3為相同加載位移和調(diào)節(jié)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±10 mm的情況下，加載頻率取0.25 Hz、0.5 Hz、0.75 Hz對應(yīng)的最大阻尼輸出力分別為0.213 kN、0.354 kN和0.613 kN。圖4為相同加載頻率和調(diào)節(jié)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0.75 Hz，加載位移幅值分別為±10 mm、±8 mm和±6 mm的情況下，最大阻尼輸出力為0.613 kN、0.459 kN、0.302 kN。由圖3、圖4可知，同等條件下，可調(diào)式黏滯流體阻尼器的阻尼力和滯回環(huán)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(guān)型阻尼器，具備基本黏滯阻尼器的參數(shù)變化規(guī)律。此外，從試驗中可知，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)性。

圖3　不同加載頻率條件下滯回曲線對比

圖4　不同加載位移條件下滯回曲線對比

圖5　阻尼器最大輸出力與滯回圈數(shù)之間的關(guān)系

3.3抗低周疲勞性能

試驗中在完成10圈往復(fù)循環(huán)的力學性能測試后，進行60圈往復(fù)循環(huán)的抗低周疲勞性能試驗，由圖5a)看出，經(jīng)過10圈阻尼器往復(fù)循環(huán)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(jīng)過60圈往復(fù)循環(huán)性能試驗后阻尼器最大輸出力情況，阻尼器仍具有穩(wěn)定的滯回環(huán)形狀，且其面積較初始滯回環(huán)面積無顯著差異，阻尼器耗能能力的衰減幅度也是在規(guī)范要求的15%范圍以內(nèi)。如在衰減最顯著的工況(h＝3.0 mm，f＝1.0 Hz，A＝10 mm)下，初始最大輸出力為0.849 2 kN，60圈往復(fù)加載后最大輸出力為0.755 6 KN，下降幅度為11.0%；在工況h＝6.0 mm，f＝1.0 Hz，A＝10 mm下，初始最大輸出力為0.6317 kN，60圈往復(fù)加載后最大輸出力為0.600 9 kN，下降幅度為4.9%，以上均符合規(guī)范限值要求。

4　阻尼器的理論值與試驗值對比

結(jié)合試驗結(jié)果，采用數(shù)據(jù)擬合方法給出阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)，根據(jù)第二部分所得阻尼力的數(shù)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0.5 Hz、1.0 Hz、1.5 Hz頻率范圍內(nèi)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。

表1　阻尼器最大輸出力理論值與試驗值對比

可知，除極少數(shù)工況外，采用推導(dǎo)的計算模型得到的理論值與試驗值吻合度較高，誤差在規(guī)范要求的限值15%以內(nèi)，說明可調(diào)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(jié) 論

本文研制一種新型可調(diào)式微型黏滯流體阻尼器，經(jīng)過對其力學性能的研究可知：該阻尼器的參數(shù)滿足一般無剛度速度相關(guān)型黏滯阻尼器的變化規(guī)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(wěn)定，對振動作出耗能響應(yīng)的反應(yīng)敏感；經(jīng)60圈抗低周往復(fù)循環(huán)試驗后，阻尼器耗能能力的衰減幅度均控制在規(guī)范要求的15%以內(nèi)，且沒有出現(xiàn)明顯的疲勞現(xiàn)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(huán)面積隨調(diào)節(jié)閥芯行程的變小而變大，反應(yīng)阻尼器具有良好的調(diào)節(jié)性和工作效率；此外，將試驗結(jié)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(diào)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(jié)構(gòu)的抗震加固中。

［1］ 葉正強，李愛群，程文瀼，等.采用黏滯流體阻尼器的工程結(jié)構(gòu)減振設(shè)計研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2001，22(4)：61-66

Ye Zhengqiang，Li Aiqun，Cheng Wenrang，et al.Study on Vibration Energy Dissipation Design of Structures with Fluid Viscous Dampers［J］.Journal of Building Structures，2001，22(4)：61-66(in Chinese)

［2］ 歐進萍，丁建華.油缸間隙式黏滯阻尼器理論與性能試驗［J］.地震工程與工程振動，1999，19(4)：82-88

Ou Jinping，Ding Jianhua.Theory and Performance Experiment of Viscous Damper of Clearance Hydrocylinder［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，1999，19(4)：82-88(in Chinese)

［3］ Langhaar H L.Steady Flow in the Transition Length of Straight Tube［J］.Appl Mech，1942，9(22)：55-58

Theoretical and ExPerimental Study of Adjustable and Fluid Viscous DamPer

Cai Ting，Zhang Xun′an，Lian Yeda，Wang Junjun
(Department of Civil Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China)

An adjustable and fluid viscous damper was invented in this paper，it can provide variable damping forces.Through the loading test of different displacement amplitude，various loading frequencies and cyclings，dissipating energy parameters and working properties of adjustable and fluid viscous damper were investigated.Meanwhile the theoretical formulas of damping force-displacement based on hydraulics were derived，and the experimental results were compared and analyzed.Results show that the invented viscous damper has a good performance of energy dissipation and a good low-cycle fatigue performance.The results of experiment are close to the theoretical calculation results，proving that the proposed damper has relatively high working stability and good sealing performance.

calculations，damping，design of experiments，energy dissipation，errors，fatigue of materials，hydraulics，hysteresis，Navier Stokes equations，stability，adjustable performance，formulas of damping force，loading test，miniature adjustable viscous and fluid damper

TU311.3

A

1000-2758(2016)02-0241-04

2015-10-09基金項目：國家自然科學基金(51308458)、西北工業(yè)大學基礎(chǔ)研究基金(3102014JCQ01042)與西北工業(yè)大學創(chuàng)新創(chuàng)意種子基金(Z2015012)資助

蔡婷(1984—)，女，西北工業(yè)大學博士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)振動控制研究。