粘滞阻尼器结构模拟分析

2021-01-08郭雷

绿色科技 2020年22期

郭雷

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司房地产分公司，陕西西安 710075)

1 引言

粘滞阻尼器最早是被用于军事、航天等精密工业中，直到20世纪90年代才逐渐开始有学者研究其在工程领域中的应用，常见的粘滞阻尼器一般由三种类型，杆式粘滞阻尼器，圆筒式粘滞阻尼器和缸式粘滞阻尼器。一般来说粘滞阻尼器由缸体，导杆，粘滞流体材料，活塞和阻尼孔等组成，如图1所示。粘滞阻尼器也是通过导杆在缸体那来回往复做功来起到减震耗能的功效。

图1 阻尼器构造

2 粘滞阻尼器的简介

2.1 粘滞阻尼器工作原理

粘滞阻尼器时通过导杆将外部荷载传递到导杆上，然后带动粘滞阻尼器材料的流动，从而达到了耗能的目的。其基本原理是：桥梁结构在外部荷载(风，地震和车流等等)作用下，导杆将作用力传递到缸体内部，带动导杆涌动，从而推动活塞进行运动，粘滞阻尼材料在缸体内部进行流动，两边产生压力差，从而将一部分能量进行消耗，起到了耗能的作用，也减小了结构的振动。基本原理是：桥梁结构在风或者地震等作用下，导杆与结构相互连接受力，推动粘滞阻尼器内部活塞杆进行运动受力，活塞两边的粘滞阻尼材料流动，活塞两边产生压力差，当阻尼材料流过阻尼孔产生阻尼力，将结构振动所传来的力消耗掉，从而减弱振动带来的影响。

2.2 粘滞阻尼器的特点

由于粘滞阻尼器自身优越的特制，从而被广泛的应用于桥梁结构中，但是粘滞阻尼器的选用又没有一个统一的标准，从而就需要对于阻尼器一些基本特点进行了解，以便更好地选择阻尼器。

(1)粘滞阻尼器在静止时并没有初始刚度，只有荷载作用在结构上时才会产生阻尼力，不会对结构初始刚度产生影响。

(2)非线性粘滞阻尼器相对于线型阻尼器作用效果更加的明显，所能提供的阻尼力大，滞回曲线饱满，耗能作用较强，同时对于结构的振动也有着比较好的控制效果。

(3)对于结构发生像温度，主梁变形缓慢的作用时，粘滞阻尼器基本不会对结构产生影响，几乎不提供阻尼力。而对于一些像地震风车流荷载等快速振动的荷载则可以迅速发挥作用，减小结构的响应。

(4)粘滞阻尼材料受到温度等环境因素影响比较小，容易维护，耐久性好，可以长时间使用。

(5)可以在风，地震，车流等各种荷载作用下来回使用。

(6)可以用作旧桥的维修加固减振保护伸缩缝等桥梁结构构件，同时也可以用做新桥设计，用以对运营期间可能会出现的荷载进行减隔震。

(7)粘滞阻尼器制作成本较高，对于大型粘滞阻尼器的制造比较困难。

根据粘滞阻尼器的相关试验研究可以看出来，在小行程时，其阻尼力远小于理论计算值，对于结构发生较小振动时，无法提供足够的阻尼力来抵御结构的振动，同时对于其的耗能效果也大大减弱，所以在实际应用中应该考虑这一点。

3 粘滞阻尼器的耗能原理

粘滞阻尼器的黏滞流体材料存在应力应变之后现象，相位差介于0～π/2之间，其既能储存能量又能消耗能量。在结构上增设粘滞阻尼器构件，通过其自身结构对能量的消耗，起到对于整体结构振动控制的作用。通常来说，粘滞阻尼器所能提供的阻尼力越大，其作用越明显，对于结构能量消耗可以通过位移阻尼力滞回曲线积分得到，其面积越大，耗能能力越强，所能提供的阻尼力也就越大，对于结构振动控制效果也就更加的明显。

3.1 粘滞材料摩擦耗能

流体在长直管上流动的过程中，由于流体分子之间会和其边界产生相互的作用，所以在流动时会产生压力损失。根据流体力学相关概念，可以知道这个摩擦力变化满足下式：

(1)

式(1)可以看出，当流体运动速度为0时，其内摩擦力也不存在，只有当流体发生相互运动时才会产生力。同时由于流体存在粘性，在其中运动时，会与边界产生摩擦力，从而消耗掉一部分能量，将动能转化为热能发散掉。流体沿着管壁流动时，会随着管壁产生摩擦力，随着其流动出现一部分能量损失，也就是文中提到的粘滞材料摩擦耗能。从上面分析可以知道，流体在阻尼器中耗能的大小与筒壁长度和直径有关。

3.2 孔缩效应耗能

从流体力学相关知识可以知道，当流体通过扩大或者缩小的断面时，在管道的凸起凹陷变形处都会引起流体产生变形，流速重分布和涡流等现象，从而产生阻碍作用，使得流体流动受到阻碍，引起能量的损耗，也称之为局部损失。

粘滞阻尼材料在缸体内进行流动，其通过阻尼孔产生了局部阻尼力，消耗能量，这种作用就称之为孔缩效应耗能，如图2所示。由于截面变小从而产生阻力，这种耗能方式和阻尼材料本身的粘度是不相关的。假设黏滞流体的粘度μ为0，并且假定其为理想流体，忽略上面提到的摩擦耗能的情况假定速度为非负值，则孔缩效应耗能有两个部分组成，首先时入孔时收缩导致的能量损失，之后出孔时截面增大导致的能量损失。

图2 流体流动

从图2可以看出流体从一侧缸体内流动到另一侧缸体，首先通过的截面变小，然后又增大，这些都会导致流体流动耗能。

4 粘滞阻尼器在ANSYS中的模拟

对于粘滞阻尼器计算模型的研究发展分为好几个阶段，目前比较公认的是粘滞阻尼器的理论计算公式是由美国泰勒公司给出的计算模型：

Fd=Kvαsign(v)

(2)

式(2)中，F为阻尼力；K为阻尼系数；v为相对速度；α为速度指数，其范围为0.1～1。

Sap2000，Midas，MSC，Patran/Mart等有限元软件均有满足上式的单元和模型，通过对于粘滞阻尼器参数，进行设置后即可使用，目前对于大跨桥梁进行结构有限元分析时，基本采用这些软件进行模拟计算。

ANSYS软件作为大型通用有限元软件，被用于各种领域进行仿真计算，在土木工程领域，ANSYS软件被广泛认可和接纳。但是ANSYS并没有直接的粘滞阻尼器单元，需要通过繁琐的设置之后才能够实现对于粘滞阻尼器的模拟。ANSYS提供了一系列的弹簧单元可以用来模拟结构的线型和非线性特征，比如常用的combin14，combin37，combin40和combin165等等。同时在几类单元中都只能模拟粘滞阻尼器的线型特征，并不能对其表现的非线性特征很好的描述。只有采用combin37进行一系列的设置之后可以很好的模拟粘滞阻尼器的特性。

Combin37单元由两个活动节点和两个可选控制节点组成，如图3所示，combin37单元为一个非线性一维单元，通过对控制节点的的选取可以使得单元内部得出相对位移从而计算出相对速度，根据对单元实常数的设置，从而可以将单元之间产生速度计算得出粘滞阻尼器单元的阻尼力。