粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)模擬分析

郭 雷

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 房地產(chǎn)分公司，陜西 西安 710075)

1 引言

粘滯阻尼器最早是被用于軍事、航天等精密工業(yè)中，直到20世紀(jì)90年代才逐漸開始有學(xué)者研究其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，常見的粘滯阻尼器一般由三種類型，桿式粘滯阻尼器，圓筒式粘滯阻尼器和缸式粘滯阻尼器。一般來說粘滯阻尼器由缸體，導(dǎo)桿，粘滯流體材料，活塞和阻尼孔等組成，如圖1所示。粘滯阻尼器也是通過導(dǎo)桿在缸體那來回往復(fù)做功來起到減震耗能的功效。

圖1 阻尼器構(gòu)造

2 粘滯阻尼器的簡(jiǎn)介

2.1 粘滯阻尼器工作原理

粘滯阻尼器時(shí)通過導(dǎo)桿將外部荷載傳遞到導(dǎo)桿上，然后帶動(dòng)粘滯阻尼器材料的流動(dòng)，從而達(dá)到了耗能的目的。其基本原理是：橋梁結(jié)構(gòu)在外部荷載(風(fēng)，地震和車流等等)作用下，導(dǎo)桿將作用力傳遞到缸體內(nèi)部，帶動(dòng)導(dǎo)桿涌動(dòng)，從而推動(dòng)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，粘滯阻尼材料在缸體內(nèi)部進(jìn)行流動(dòng)，兩邊產(chǎn)生壓力差，從而將一部分能量進(jìn)行消耗，起到了耗能的作用，也減小了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。基本原理是：橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)或者地震等作用下，導(dǎo)桿與結(jié)構(gòu)相互連接受力，推動(dòng)粘滯阻尼器內(nèi)部活塞桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)受力，活塞兩邊的粘滯阻尼材料流動(dòng)，活塞兩邊產(chǎn)生壓力差，當(dāng)阻尼材料流過阻尼孔產(chǎn)生阻尼力，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)所傳來的力消耗掉，從而減弱振動(dòng)帶來的影響。

2.2 粘滯阻尼器的特點(diǎn)

由于粘滯阻尼器自身優(yōu)越的特制，從而被廣泛的應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，但是粘滯阻尼器的選用又沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而就需要對(duì)于阻尼器一些基本特點(diǎn)進(jìn)行了解，以便更好地選擇阻尼器。

(1)粘滯阻尼器在靜止時(shí)并沒有初始剛度，只有荷載作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)才會(huì)產(chǎn)生阻尼力，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)初始剛度產(chǎn)生影響。

(2)非線性粘滯阻尼器相對(duì)于線型阻尼器作用效果更加的明顯，所能提供的阻尼力大，滯回曲線飽滿，耗能作用較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也有著比較好的控制效果。

(3)對(duì)于結(jié)構(gòu)發(fā)生像溫度，主梁變形緩慢的作用時(shí)，粘滯阻尼器基本不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，幾乎不提供阻尼力。而對(duì)于一些像地震風(fēng)車流荷載等快速振動(dòng)的荷載則可以迅速發(fā)揮作用，減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

(4)粘滯阻尼材料受到溫度等環(huán)境因素影響比較小，容易維護(hù)，耐久性好，可以長(zhǎng)時(shí)間使用。

(5)可以在風(fēng)，地震，車流等各種荷載作用下來回使用。

(6)可以用作舊橋的維修加固減振保護(hù)伸縮縫等橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)也可以用做新橋設(shè)計(jì)，用以對(duì)運(yùn)營(yíng)期間可能會(huì)出現(xiàn)的荷載進(jìn)行減隔震。

(7)粘滯阻尼器制作成本較高，對(duì)于大型粘滯阻尼器的制造比較困難。

根據(jù)粘滯阻尼器的相關(guān)試驗(yàn)研究可以看出來，在小行程時(shí)，其阻尼力遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，對(duì)于結(jié)構(gòu)發(fā)生較小振動(dòng)時(shí)，無法提供足夠的阻尼力來抵御結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，同時(shí)對(duì)于其的耗能效果也大大減弱，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該考慮這一點(diǎn)。

3 粘滯阻尼器的耗能原理

粘滯阻尼器的黏滯流體材料存在應(yīng)力應(yīng)變之后現(xiàn)象，相位差介于0～π/2之間，其既能儲(chǔ)存能量又能消耗能量。在結(jié)構(gòu)上增設(shè)粘滯阻尼器構(gòu)件，通過其自身結(jié)構(gòu)對(duì)能量的消耗，起到對(duì)于整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的作用。通常來說，粘滯阻尼器所能提供的阻尼力越大，其作用越明顯，對(duì)于結(jié)構(gòu)能量消耗可以通過位移阻尼力滯回曲線積分得到，其面積越大，耗能能力越強(qiáng)，所能提供的阻尼力也就越大，對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果也就更加的明顯。

3.1 粘滯材料摩擦耗能

流體在長(zhǎng)直管上流動(dòng)的過程中，由于流體分子之間會(huì)和其邊界產(chǎn)生相互的作用，所以在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力損失。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)概念，可以知道這個(gè)摩擦力變化滿足下式：

(1)

式(1)可以看出，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)速度為0時(shí)，其內(nèi)摩擦力也不存在，只有當(dāng)流體發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生力。同時(shí)由于流體存在粘性，在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與邊界產(chǎn)生摩擦力，從而消耗掉一部分能量，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能發(fā)散掉。流體沿著管壁流動(dòng)時(shí)，會(huì)隨著管壁產(chǎn)生摩擦力，隨著其流動(dòng)出現(xiàn)一部分能量損失，也就是文中提到的粘滯材料摩擦耗能。從上面分析可以知道，流體在阻尼器中耗能的大小與筒壁長(zhǎng)度和直徑有關(guān)。

3.2 孔縮效應(yīng)耗能

從流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)可以知道，當(dāng)流體通過擴(kuò)大或者縮小的斷面時(shí)，在管道的凸起凹陷變形處都會(huì)引起流體產(chǎn)生變形，流速重分布和渦流等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生阻礙作用，使得流體流動(dòng)受到阻礙，引起能量的損耗，也稱之為局部損失。

粘滯阻尼材料在缸體內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)，其通過阻尼孔產(chǎn)生了局部阻尼力，消耗能量，這種作用就稱之為孔縮效應(yīng)耗能，如圖2所示。由于截面變小從而產(chǎn)生阻力，這種耗能方式和阻尼材料本身的粘度是不相關(guān)的。假設(shè)黏滯流體的粘度μ為0，并且假定其為理想流體，忽略上面提到的摩擦耗能的情況假定速度為非負(fù)值，則孔縮效應(yīng)耗能有兩個(gè)部分組成，首先時(shí)入孔時(shí)收縮導(dǎo)致的能量損失，之后出孔時(shí)截面增大導(dǎo)致的能量損失。

圖2 流體流動(dòng)

從圖2可以看出流體從一側(cè)缸體內(nèi)流動(dòng)到另一側(cè)缸體，首先通過的截面變小，然后又增大，這些都會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)耗能。

4 粘滯阻尼器在ANSYS中的模擬

對(duì)于粘滯阻尼器計(jì)算模型的研究發(fā)展分為好幾個(gè)階段，目前比較公認(rèn)的是粘滯阻尼器的理論計(jì)算公式是由美國(guó)泰勒公司給出的計(jì)算模型：

Fd=Kvαsign(v)

(2)

式(2)中，F(xiàn)為阻尼力；K為阻尼系數(shù)；v為相對(duì)速度；α為速度指數(shù)，其范圍為0.1～1。

Sap2000，Midas，MSC，Patran/Mart等有限元軟件均有滿足上式的單元和模型，通過對(duì)于粘滯阻尼器參數(shù)，進(jìn)行設(shè)置后即可使用，目前對(duì)于大跨橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，基本采用這些軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

ANSYS軟件作為大型通用有限元軟件，被用于各種領(lǐng)域進(jìn)行仿真計(jì)算，在土木工程領(lǐng)域，ANSYS軟件被廣泛認(rèn)可和接納。但是ANSYS并沒有直接的粘滯阻尼器單元，需要通過繁瑣的設(shè)置之后才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于粘滯阻尼器的模擬。ANSYS提供了一系列的彈簧單元可以用來模擬結(jié)構(gòu)的線型和非線性特征，比如常用的combin14，combin37，combin40和combin165等等。同時(shí)在幾類單元中都只能模擬粘滯阻尼器的線型特征，并不能對(duì)其表現(xiàn)的非線性特征很好的描述。只有采用combin37進(jìn)行一系列的設(shè)置之后可以很好的模擬粘滯阻尼器的特性。

Combin37單元由兩個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)可選控制節(jié)點(diǎn)組成，如圖3所示，combin37單元為一個(gè)非線性一維單元，通過對(duì)控制節(jié)點(diǎn)的的選取可以使得單元內(nèi)部得出相對(duì)位移從而計(jì)算出相對(duì)速度，根據(jù)對(duì)單元實(shí)常數(shù)的設(shè)置，從而可以將單元之間產(chǎn)生速度計(jì)算得出粘滯阻尼器單元的阻尼力。

圖3 Combin37單元示意

Combin37單元共有兩種狀態(tài)，即開啟和關(guān)閉。當(dāng)處于開啟狀態(tài)時(shí)，單元?jiǎng)偠取①|(zhì)量及阻尼矩陣分別為：

(3)

(4)

(5)

式中，K0為彈簧元件剛度；MI和MJ分別為I、J節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；C0為阻尼常數(shù)。

當(dāng)單元處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，單元的矩陣均為零矩陣。通過在ANSYS中對(duì)combin37單元參數(shù)的設(shè)置，使其在KEYOPT(6)取2時(shí)，對(duì)阻尼常數(shù)進(jìn)行修正。

CO'=CO+D

(6)

D=C1|v|C2+C3|v|C4

(7)

當(dāng)KEYOPT(6)取2時(shí)，對(duì)阻尼常數(shù)進(jìn)行修正，即

CO'=CO+D=C0+C1|v|C2+C3|v|C4

(8)

此時(shí)的單元阻尼力為：

F=CO|v|sgn

=(C0+C1|v|C2+C3|v|C4)|v|sgn(v)

=(C0+C1|v|1+C2+C3|v|1+C4)|v|sgn(v)

(9)

當(dāng)C0= 0，C3= 0時(shí)，式(9)變?yōu)椋?/p>

F=C1|v|1+C2sgn(v)

(10)

通過對(duì)單元實(shí)常數(shù)的調(diào)整，通過定義C1和C2的值來實(shí)現(xiàn)粘滯阻尼器阻尼參數(shù)和速度指數(shù)的調(diào)整。