一种合金减振与隔振支座减振特性研究
2017-05-18高芳清范晨光
张 锐， 高芳清, 范晨光
(西南交通大学力学学院, 四川成都 610031)
一种合金减振与隔振支座减振特性研究
张 锐， 高芳清, 范晨光
(西南交通大学力学学院, 四川成都 610031)
在桥梁领域中，减振隔振问题较为关键。针对这种重要的力学元素，文章研究了一种锌铝合金材料减振与隔振支座，并分析了其在低频段的正弦载荷激振作用下的减振率及振级落差。为了使分析更加可靠，引入了普通钢支座进行对比实验，并分析了影响锌铝合金支座减振能力的因素。实验表明，在激振频率为1～25 Hz的激振力作用下，锌铝合金支座的减振能力远优于普通钢支座，同时，支座的减振层厚度对系统的减振能力也有很大的影响。这对桥梁支座的减振分析及合理的结构设计具有重要的意义。
锌铝合金材料； 减振与隔振支座； 减振率
随着桥梁现代化建设的不断发展，对桥梁自身的可靠性能要求越来越高，而其减振和抗冲击性能[1]是其中非常重要的指标。目前，各种新型材料逐渐被用到桥梁减振支座的研究当中，包括橡胶减振支座和各类合金减振支座系统[2,8]等。橡胶减振支座是目前国内外使用较多的制作类型，其相关的力学性能研究也是硕果累累[9-10]，而合金减振支座的相关研究则相对较少。
合金减振材料相对于橡胶减振材料，具有更大的抗压强度，更优的抗剪性能，更长的使用寿命；同样也存在材料成本更高、自身刚度较高等缺点[3]，是需要不断关注、解决的问题。
本文研究了一种用锌铝合金Za-27[3-4]材料设计的一种非线性弹性阻尼减振系统，通过减振实验证明此系统在不同加载频段均具有较好的减振性能，同时进行仿真模拟分析加以验证，为以后各类新型合金材料在减振支座上的应用提供了经验。
1 减振与隔振结构
1.1 减振与隔振系统模型
本文中设计的减振与隔振系统为非线性弹簧阻尼模型[5]，其力学模型如图1所示。
图1 非线性弹簧阻尼模型
其中：m是上层质量，x(t)为上层质量块位移，c为弹性支撑的粘性阻尼系数，k1和k2为非线性弹性支撑的刚度，f(t)为外界作用在支座上的周期激振力，FT(t)为传递到基础上的力。
此简化模型上层隔离部分的振动方程为：
(1)
设
(2)
当非线性程度极小，即k1≫k2，则式(1)可写为：
(3)
将式(2)带入式(3)得：
(4)
(5)
式(2)、式(4)带入式(5)得到：
(6)
当非线性程度不满足k1≫k2时，结构在定频激振下的力传递率为非常数，此时只能通过时间步长输出其数值解，无法通过解析解表达。
1.2 设计实验
设计实验中所使用到的减振器结构如图2所示。减振器结构为对称结构，由于激振力的特点，故只需要考虑减振器结构在竖直方向的振动特性。
图2 减振器结构
本实验通过对普通Q345钢材料和新型Za-27锌铝合金材料进行对照试验，探究两种材料在相同环境、相同工况下的动力学特性差异、设计优化方案；探究相同材料不同层厚的工况下，其减振能力的改变将如何发展，从而可以更大限度的提高减振器支座的减振能力。
根据上述分析，本实验对5 mm、10 mm、15 mm的Q345钢和Za-27锌铝合金分别进行定频激振，激振力模拟实际工况，其大小为25±6 MPa，激振器模型如图3所示。
图3 激振器模型
实验时，以2 Hz的频率步长对减振装置在低频区间(1～25 Hz)范围进行定频激振，并测量减振装置上层和下层位置的响应。实验测得的响应做进一步的分析得到不同层厚的两种材料在低频区间的力传递率曲线和加速度振级落差[6]。本实验还设计了在固有频率下两种材料的超声激振实验，通过半功率带宽法提取阻尼比[7]，为接下来仿真分析中阻尼比参数的输入提供依据。
2 减振与隔振系统仿真分析
针对上述新型减振支座结构进行了仿真分析[8]，分析方法如下：
(1)首先建立单层减振与隔振的有限元模型，并对模型进行适当的简化；
(2)将模型导入大型有限元软件Ansys中；
(3)将激振试验的试验条件作为输入条件输入到Ansys软件中，分别对不同材料不同层厚的两类模型进行计算；
(4)计算完成后，分别提取模型中指定部位的应力和位移，得到其力传递率和加速度振级落差并进行对比分析，从而得出结论。
图4为单层减振与隔振系统二维结构图，图5为有限元分析模型。首先对模拟新型Za-27弹性支座进行有限元分析，并提取支座上下中心点的应力和位移响应值，通过二次差分法将位移量转化为加速度量，得到其装置的力传递率与加速度振级落差；然后将减振层的材料参数设定为Q345钢的参数，即变为普通钢支座的减振与隔振结构，对其再次进行有限元分析，并提取上述位置参数。分析结果如图6～图7所示。
图4 二维结构
图5 有限元分析模型
图6 Za-27支座力传递率(有限元)
图7 Q345钢支座力传递率(有限元)
图6、图7表明，有限元模拟实验在1～25低频段区域，激振力经过Za-27减振器后，力传递率在0.7左右，则减振率为30 %；相同工况下经过Q345减振器后，力传递率在0.9～1左右，则减振率为0 %～10 %。即新型支座减振器可以吸收部分传递能量，且吸收能力远大于普通钢支座。由于时间步长限制，二次差分法求解加速度振级落差的结果并不能达到其精确程度，故无法为其激振实验结果提供参考作用。
阻尼比实验设计为对实验材料在其固有频率基础上进行激光定频激振，以半功率带宽法解得所需要的阻尼比系数。分别用自由衰减法和共振法求得材料阻尼比，实验结果如表1所示。
表1 材料阻尼比 %
3 激振实验
为了验证本文设计的新型Za-27减振与隔振支座的减振效果，进行了多次且大量级的定频激振实验。表2为激振实验条件。
表2 激振实验条件
实验时，以5 mm、10 mm、15 mm层厚的两种材料减振块作为实验对象，分别对其进行1～25 Hz的定频激振实验，并测量其竖向的应力与位移时程曲线。将实验测得的各个装置的减振数据与模拟实验进行对比分析，如图8、图9所示。
(a)Za-27Al
(b)Q345图8 力传递率随频率的变化
(a)Za-27Al
(b)Q345图9 加速度振级落差随频率的变化
(1) 图8表明，在25±6 MPa载荷幅值的激振作用下，经过Za-27减振器作用后，其传递力衰减为初始力的70 %左右，且在激振频率3～10 Hz区间，减振效果达到最优状态；
而经过Q345减振器作用后，其传递力衰减效果仅达到10 %左右；并且随着支座层厚的增加，同一材料支座的减振能力呈现逐一增强的趋势，与上述有限元分析模拟结果基本吻合，即新型Za-27减振器具有比普通支座更有效的吸能、减振效果。
(2) 由图9可知，当激振频率高于12 Hz时，不同层厚的两种支座的加速度振级落差均成减小趋势，且Za-27合金支座在振级落差比上整体优于普通钢支座，而随着材料厚度的增加，其振级落差随之降低。
(3) 表1中，Za-27材料的阻尼比接近于Q345钢材料的两倍，说明其阻尼性能远优于普通钢支座，Za-27材料更有利于能量的耗散，与图9、图10中表达的结果是一致的。
4 结论
经过以上的分析，在大量级的激振载荷作用下，可得到如下结论：
(1) 在25±6 MPa激振下，Za-27减振支座在频率范围在1～25 Hz区间的的减震效果远优于普通Q345钢支座。当频率处于3～10 Hz区间时，减振效果趋于最优状态。Za-27合金材料的阻尼比测试进一步表明锌铝合金材料用作减振材料的可行性。
(2) 当使用新型Za-27减振支座进行减振时，合理增加减振层的层厚可以提高系统的减振、隔振能力。
(3) 经试验验证，设计的新型阻尼减振结构经历了多次高强度激振试验后后依然能够正常工作，这对桥梁支座的可靠性设计具有重要的意义。
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张锐(1992～)，男，在读硕士，研究方向为结构振动控制。
U443.36
A
[定稿日期]2017-03-20
