间隙式粘滞阻尼器的力学特性分析

2020-06-15王卓锋

液压与气动 2020年6期

杨珂，闵为，段沛，王卓锋

(兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050)

引言

粘滞阻尼器是一种速度相关型阻尼器，流体通过阻尼孔或间隙时产生粘滞阻尼力达到耗散能量的目的。因此粘滞阻尼器被广泛应用于高层建筑、桥梁、建筑结构抗震改造、工业管道设备抗震、军工等领域。

国内外许多学者对粘滞阻尼器进行了研究。丁建华、欧进萍等[1-2]基于幂律流体的流变特性推导出孔隙式、间隙式油缸阻尼器的阻尼力的计算模型；李英等[3]基于半主动控制理论，提出一种改变阻尼器的缸体内径形成合理的间隙的新型间隙式粘滞阻尼器，该种阻尼器的阻尼系数随着位移的变化而改变，并建立了阻尼力的理论计算模型，从理论计算方面说明了该种阻尼器的减振性能优于常规间隙式阻尼器；凌向前[4]基于粘滞阻尼器的等效线性化理论推导了粘滞阻尼器附加结构的有效阻尼比，讨论了速度指数与粘滞阻尼器耗能能力的关系，指出粘滞阻尼器的耗能能力随着速度指数的减小而增大；杨国华、李爱群等[5-6]针对粘滞阻尼器的不同构造形式及阻尼孔的阻尼特性进行了分析，说明了粘滞阻尼器的阻尼力与活塞运动速度成非线性关系，并通过时程分析说明了粘滞阻尼器可有效的控制结构的位移、速度等动力响应；叶正强等[7]提出了一种性能稳定的双出杆式流体阻尼器，分析了在低频(一般小于4.0 Hz)条件下，影响阻尼器的阻尼力的因素主要有活塞有效面积、阻尼孔的大小及长度、活塞运动频率及幅值等；CONSTANTINOU等[8-9]学者基于广义的Maxwell模型模拟流体物性参数的变化，分析了粘滞阻尼器产生非线性变化现象的原因，建立了力-速度关系计算方程式，并通过实验证实了其合理性；贾九红等[10-11]基于Maxwell理论将粘弹性流体模型简化为牛顿流体模型，采用分离变量法和分数微分建模的方法推导了间隙式阻尼器阻尼力模型，并给出了阻尼器能量耗散的计算方法；赵志刚[12]基于简化的Maxwell非线性模型，采用能量等效理论得到了非线性粘滞阻尼器的最优阻尼系数表达式，并通过有限元软件分析验证了其参数优化方法的正确性；刘晓飞[13]采用有限元软件Fluent对不同活塞孔结构及不同动力黏度的粘滞阻尼器的输出力进行了数值模拟，指出粘滞阻尼器速度指数决定性的影响因素为硅油的流动指数，速度指数的大小与硅油流动指数的大小相近，说明了减小粘滞阻尼器的速度指数的根本办法是增大活塞的过流断面面积；郭畅等[14]在考虑油液黏度及自重情况下采用Fluent软件分析了间隙式粘滞阻尼器性能，并指出该因素对阻尼器的速度指数和阻尼系数的影响规律；王琳等[15]基于孔口流动原理建立了船用液压阻尼器的数学模型，在AMESim中搭建模型进行了优化设计，并通过试验验证了正确性；汪玮[16]利用有限元软件分析了一种间隙式粘滞阻尼器并进行了力学性能试验，分析了不同阻尼介质及间隙大小对其力学性能的影响，提出阻尼力-速度关系曲线可以用幂指数模型回归。

上述工作主要研究工作介质在温度变化时的阻尼力输出特性，其影响的是间隙式粘滞阻尼器循环往复工作时的输出力变化规律，对其初始设计的指导性不强。

本研究在考虑二甲基硅油剪切稀化特性的基础上，建立了间隙式粘滞阻尼器输出力的Simulink仿真模型，并通过实验进行了验证。

1 理论推导

本研究采用间隙式粘滞阻尼器，其主要组成部分有：缸筒、活塞、活塞杆以及阻尼间隙。给定活塞正弦位移信号，推动活塞杆进行运动，粘滞阻尼器受压一腔的液体通过间隙流入另外一侧的活塞腔中，介质在流动的过程中产生阻尼力，从而达到耗散能量的目的。图1为间隙式粘滞阻尼器示意图。

1.活塞杆 2.流体介质 3.活塞 4.阻尼间隙 5.缸筒图1 间隙式粘滞阻尼器示意图

分析间隙式粘滞阻尼器的力学特性，主要分析流体在间隙中的流动情况。流体在间隙中的流动可认为是平行平板缝隙流动。间隙中流体产生运动的原因有两个：一是由于存在压差而产生的流动；二是由于活塞相对于缸体内壁有相对运动产生的剪切流动。

假设粘滞阻尼器间隙为h，活塞沿着x轴正方向运动，则：

ux=-u,uy=0,uz=0

(1)

在重力场的情况下，流体所受单位质量力：

X=Y=0,Z=-g

(2)

在上述条件下，黏性流体的运动方程为：

(3)

(4)

(5)

由式(4)可知，压强p与y无关，对式(5)积分可得压强:

p=-ρgz+f(x)

(6)

(7)

将式(7)对z积分可得:

(8)

(9)

假设活塞运动速度为U,为确定积分常数，给定边界条件，当z=0,u=U；z=δ,u=0。

由此可得:

(10)

C2=-U

(11)

将式(10)～式(11)代入式(9)可得间隙中流体的速度分布为：

(12)

1) 压差流动

压差引起的流体流动在间隙中的速度分布如图2所示。

图2 压差运动引起的速度分布

仅考虑压差引起的流体流动，则U=0，间隙中流体流速为：

(13)

在平行平面形成的间隙中，沿x方向的压强改变率是不变的。如果沿l长度内压强由p2降至p1，压降为Δp=p2-p1，则变化率为:

(14)

则压差引起的流速为:

(15)

2) 剪切流动

剪切流动引起的流体流动在间隙中的速度分布如图3所示。

图3 剪切流动引起的速度分布

在剪切流动中速度分布为：

(16)

因此间隙中的流速为压差运动引起的流速与剪切运动引起的流速的迭加为:

(17)

式中,l—— 间隙长度

μ—— 流体的动力黏度

δ—— 单边间隙高度

Δp—— 间隙两端的压差

U—— 活塞运动速度

本研究中的间隙式粘滞阻尼器采用的工作介质为二甲基硅油，二甲基硅油作为典型的非牛顿流体，其具有非常明显的剪切稀化特性。运动黏度v随着剪切速率SR的增大呈现非线性变化，如图4所示。当SR<1000时，运动黏度基本不变；当1000100000时，随着剪切速率的增大，运动黏度的变化较为缓慢，当剪切速率达到某一定值时，二甲基硅油的黏度可认为基本不变。

图4 剪切速率-运动黏度变化曲线

剪切速率为:

(18)

动力黏度：

μ=ρv

(19)

式中，ρ—— 工作介质的密度

v—— 流体的运动黏度

间隙两侧的压差为:

(20)

式中,d—— 活塞直径

A—— 活塞有效作用面积

间隙式粘滞阻尼器所受阻尼力为：

F=Δp·A

代入式(18)可得：

(21)

分析式(21)可知，同一规格的间隙式粘滞阻尼器，活塞的缸径及杆径为一定值，即活塞的有效作用面积相同，间隙的大小及长度为一定值，影响粘滞阻尼器输出阻尼力的因素有流体的黏度及活塞的运动速度。给定活塞位移标准正弦激励，则活塞的运动速度按照余弦规律进行变化，但由于流体的黏度发生非线性改变，使得输出阻尼力并不是标准的正弦输出。因此，工作介质的黏度变化可能会影响粘滞阻尼器的输出阻尼力，影响阻尼器的耗能。

2 仿真分析与实验

1) 实验装置

间隙式粘滞阻尼器实验装置如图5所示。本实验采用PWS-2000 型消能试验机，由试验机主机、板式拉伸夹具、卡轴拉伸夹具、蓄能器供油系统、移动横梁液压控制系统、作动器液压控制装置、远程压力控制系统、主控制台、进口 DOLI 数字式全闭环多通道控制器、计算机及软件系统、测控系统、手动控制盒、电气拖动系统、安全防护及自动停机报警等系统组成。

图5 实验装置图

表1给出了阻尼器及介质的主要参数。间隙式粘滞阻尼器的负载是由作动器液压控制装置提供，由于阻尼器与作动器之间存在间隙，作动器的位移是由内置的磁伸缩传感器测量，阻尼器内活塞的位移由拉线式位移传感器测量，负载力是由左端的载荷传感器测量。力传感器的测量范围为108～2700 kN，测量精度为±1% FS；位移传感器的测量范围为0～1000 mm，测量精度为±1% FS。力传感器和位移传感器的最大采样频率均为1000 Hz。实验中给定活塞位移s=Asin(2πft)，通过改变活塞运动的频率和幅值，获得不同运动速度下的位移-负载特性。