朱軍強(qiáng)， 張澤鑫， 張仁猛， 李鵬飛

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析及試驗(yàn)研究①

朱軍強(qiáng)， 張澤鑫， 張仁猛， 李鵬飛

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，研發(fā)出一種基于半主動(dòng)控制的新型壓電摩擦阻尼器，介紹其構(gòu)造和工作原理。建立新型壓電摩擦阻尼器的ABAQUS有限元模型，得出阻尼器在不同工況下的滯回曲線，并進(jìn)行其滯回性能試驗(yàn)，用試驗(yàn)值驗(yàn)證阻尼器有限元模型的相似性，兩者得到的阻尼器摩擦力變化趨勢相近；采用ANSYS建立安裝有新型壓電摩擦阻尼器的輸變電塔模型，利用MATLAB計(jì)算輸變電塔模型各層的加速度響應(yīng)，驗(yàn)證新型壓電摩擦阻尼器在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的摩擦耗能性能，為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器； 壓電摩擦阻尼器； 有限元分析； 試驗(yàn)研究

0 引言

將阻尼器這種耗能減震裝置裝設(shè)在建筑結(jié)構(gòu)合適部位，可以有效地消耗地震動(dòng)施加在結(jié)構(gòu)上的能量，減小結(jié)構(gòu)的破壞程度[1]。目前一些學(xué)者已研發(fā)出多種形式的阻尼器。歐進(jìn)萍課題組設(shè)計(jì)了體積較大壓電-T型變摩擦阻尼器[2]，Unsal等[3]研制了可調(diào)摩擦力小自復(fù)位壓電摩擦阻尼器；呂暉等[4]對(duì)帶有調(diào)諧液體阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)其屬于被動(dòng)減震耗能裝置。本文在已有理論的基礎(chǔ)上，研制一種新型壓電摩擦阻尼器，該阻尼器具有體積小，可調(diào)摩擦力大，便于工程安裝等特點(diǎn)。對(duì)其摩擦耗能性能進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)研究，并分析將阻尼器安裝在實(shí)際結(jié)構(gòu)上的減震效果以驗(yàn)證摩擦耗能性能。

1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器

本文在研制新型壓電摩擦阻尼器中所用的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器由180片壓電片堆疊而成，尺寸為10 mm×10 mm×18 mm，電壓最大值為150 V。圖1為壓電陶瓷的實(shí)物圖，圖2為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電壓-位移特性曲線，性能指標(biāo)見表1。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖Fig.1 The piezoelectric ceramic actuator

圖2 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電壓-位移特性曲線Fig.2 The aoltage-displacement characteristic curve of piezoelectric ceramic actuator

表1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)

Table1 Performance indexes of the piezoelectric ceramic actuator

型號(hào)剛度/[N/um]標(biāo)稱位移/(um@150V)(±10%)0位移推力/(N@150V)PT150/10×10/20250203600

2 新型壓電摩擦阻尼器的構(gòu)造及工作原理

本文設(shè)計(jì)了一種基于半主動(dòng)控制的新型壓電摩擦阻尼器，其尺寸為200 mm×40 mm×40 mm，所有約束部件全采用鋼材制作，制作精密，構(gòu)造合理。實(shí)物圖見圖3，內(nèi)部構(gòu)造如圖4所示，新型壓電摩擦阻尼器詳細(xì)構(gòu)造圖如圖5。

圖3 壓電摩擦阻尼器實(shí)物圖Fig.3 The piezoelectric friction damper

圖4 壓電摩擦阻尼器內(nèi)部構(gòu)造實(shí)物圖Fig.4 The internal structure of piezoelectric friction damper

圖5 新型壓電摩擦阻尼器詳細(xì)構(gòu)造圖Fig.5 The detailed structure of new piezoelectric friction damper

阻尼器內(nèi)部預(yù)設(shè)三個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，可根據(jù)實(shí)際情況自主調(diào)節(jié)。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的外部設(shè)置了套筒，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)器不因側(cè)向力而變形。安置在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上下的鋼制墊片作為套筒的上蓋和底蓋，可以保證驅(qū)動(dòng)器與阻尼器上頂板、底座接觸緊密。最外面的套筒與作動(dòng)拉桿相連，當(dāng)作動(dòng)拉桿受力時(shí)，拉桿把力傳遞給套筒上，套筒通過上頂板和底座將力傳遞給另外兩個(gè)套筒，以實(shí)現(xiàn)阻尼器的滑動(dòng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，通過預(yù)緊螺栓向阻尼器施加預(yù)壓力，槽體與阻尼器產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦，使阻尼器摩擦耗能。壓電摩擦阻尼器的半主動(dòng)控制系統(tǒng)[5]會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，施加給壓電陶瓷相應(yīng)的電壓，根據(jù)壓電陶瓷所具有的逆壓電效應(yīng)，使壓電摩擦阻尼器內(nèi)部的摩擦力有效增加，利用阻尼器內(nèi)部本身所產(chǎn)生的摩擦力逐漸消耗能量。

本文設(shè)計(jì)的新型壓電摩擦阻尼器的特點(diǎn)是：(1)設(shè)計(jì)輕巧、方便，阻尼器出力大，易于在工程上安裝使用；(2)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器外設(shè)置有套筒，保護(hù)其工作時(shí)不因受剪而損壞；(3)阻尼器內(nèi)部的作動(dòng)拉桿上加入了復(fù)位彈簧。當(dāng)作動(dòng)桿件受單方向的力作用時(shí)，彈簧的彈力可將作動(dòng)拉桿進(jìn)行復(fù)位，讓阻尼器重復(fù)受力。

3 新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析

在進(jìn)行新型壓電摩擦阻尼器的有限元分析時(shí)采用ABAQUS軟件[6]。選用ABAQUS自帶的塑性本構(gòu)關(guān)系，采用實(shí)體單元C3D8R建立構(gòu)件模型。在建模過程中，新型壓電摩擦阻尼器所使用的鋼材為理想彈塑性材料，彈性模量為505 000 MPa，泊松比為0.27，圖6為新型壓電摩擦阻尼器的ABAQUS有限元模型。為研究阻尼器在通電情形下的響應(yīng)，完全約束阻尼器底部，在Step功能模塊中創(chuàng)建兩個(gè)分析步[7]。分析步一：在加電情況下施加等效壓力荷載；分析步二：按位移加載制度施加往復(fù)作用，加載制度如圖7所示。

圖6 阻尼器ABAQUS有限元模型Fig.6 ABAQUS finite element model of the damper

圖7 位移加載制度Fig.7 Displacement loading system

在兩種工況下對(duì)新型壓電摩擦阻尼器進(jìn)行加載，得到新型壓電摩擦阻尼器在不同電壓下的滯回曲線，對(duì)比分析摩擦耗能情況。

工況一：在阻尼器里面安裝一個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，在位移加載下分別施加30 V、60 V、90 V和120 V電壓(壓電陶瓷堆的極限電壓為150 V)，在各個(gè)電壓下分別進(jìn)行有限元分析(圖8)。

工況二：在阻尼器里面安裝二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，在位移加載下，分別施加同工況一相同的電壓，在各個(gè)電壓下分別進(jìn)行有限元分析，如圖9所示。

圖8 安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻尼器滯回曲線Fig.8 Hysteresis curve of the damper with one actuator installed

從圖8可以看出，隨著施加在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上電壓的增大，滯回曲線所包含的面積變大，滯回曲線也越飽滿，說明新型壓電摩擦阻尼器的摩擦耗能性能與加載的電壓成正比；該阻尼器的摩擦耗能性能良好。

圖9 安裝二個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻尼器滯回曲線Fig.9 Hysteresis curve of the damper with two actuators installed

分析圖9可以得出，電壓依次增加，阻尼器的輸出力逐漸增大，滯回曲線包絡(luò)面積更大，摩擦耗能性能更好。對(duì)比分析圖8和圖9可以得出，在加載電壓相同的情況下，安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻尼器比安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻尼器的輸出力大，因此可以證明，前者的摩擦耗能性能比后者更好。隨著安裝在阻尼器上的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器數(shù)量的增加，阻尼器的摩擦力也隨之增大，摩擦耗能性能隨之改善。

4 新型壓電摩擦阻尼器的滯回性能試驗(yàn)

新型壓電摩擦阻尼器的滯回性能試驗(yàn)是在西安建筑科技大學(xué)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)裝置如圖10所示，試驗(yàn)機(jī)的性能指標(biāo)如表2所示。

圖10 電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.10 The electronic universal testing machine

表2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)的性能指標(biāo)

試驗(yàn)開始前，用電子萬能試驗(yàn)機(jī)上的鋼夾將阻尼器兩端夾緊，把阻尼器固定在試驗(yàn)機(jī)上，然后調(diào)整阻尼器的位置，確保試驗(yàn)開始時(shí)阻尼器處于平衡位置。試驗(yàn)時(shí)采用位移進(jìn)行控制，位移幅值設(shè)為3 mm，初始預(yù)壓力為500 N。試驗(yàn)中的阻尼器安裝二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器加載電壓分別設(shè)為0 V、30 V、60 V、90 V和120 V。在不同的電壓下對(duì)阻尼器進(jìn)行加載，每次加載均從阻尼器平衡位置開始，再回到平衡位置，最終得到阻尼器在不同電壓下的滯回曲線。利用試驗(yàn)機(jī)上的傳感器采集新型壓電摩擦阻尼器的位移和摩擦力大小，得到安裝二個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的阻尼器滯回曲線(圖11)。

圖11 試驗(yàn)所得安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的阻尼器滯回曲線Fig.11 Hysteresis curve of the damper installing two actuators through the experiment

從圖11可以看出，隨著施加電壓的增加，滯回曲線的面積變大且曲線也越飽滿，新型壓電摩擦阻尼器的摩擦力隨著電壓的增加而增大，證明該阻尼器的摩擦耗能性能良好。對(duì)比分析圖9與圖11可知，新型壓電摩擦阻尼器的試驗(yàn)得到的摩擦力值比軟件分析得到的值小，其原因是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位移變化值影響了阻尼器出力大小，而實(shí)際中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)位移很小，僅有微米級(jí)別，且受到阻尼器自身制作和安裝影響的因素較多，所以導(dǎo)致阻尼器出力減小。實(shí)驗(yàn)中位移還出現(xiàn)了0.3 mm左右的捏攏現(xiàn)象，這是加載接觸時(shí)機(jī)械咬合誤差所致，其位移量比較小，可通過增加阻尼器預(yù)壓力減小這種現(xiàn)象。另外在工程應(yīng)用中，可通過增加安裝在結(jié)構(gòu)上的阻尼器的數(shù)量提高阻尼器的摩擦耗能性能。

5 安裝有阻尼器的輸變電塔模型有限元分析

為驗(yàn)證新型壓電摩擦阻尼器在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的摩擦耗能性能，對(duì)安裝有本阻尼器的輸變電塔模型進(jìn)行有限元分析。

建立輸變電塔模型時(shí)采用ANSYS軟件[8]。圖12為輸變電塔模型尺寸。選用Beam188梁單元，截面尺寸均為30 mm×30 mm×3 mm×3 mm；材料彈性模量為2.06×1011MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。模型共六層，在三、四層安裝有帶阻尼器的斜桿。在ANSYS有限元計(jì)算中，阻尼器模型按照?qǐng)D9所得二驅(qū)動(dòng)器模式建立，并轉(zhuǎn)化為出力模式。通過ANSYS有限元計(jì)算，提取MATLAB計(jì)算中所需結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣。輸變電塔的ANSYS有限元模型見圖13。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)過程半主動(dòng)控制，在模型的X方向上輸入0.2 g和0.4 g的El-Centro波，最后得出模型在無控、半主動(dòng)狀態(tài)下的加速度反應(yīng)[9]。

輸變電塔模型結(jié)構(gòu)第二、三、四層的加速度數(shù)值結(jié)果見表3。限于篇幅，本文只給出在0.2 g地震作用下結(jié)構(gòu)模型第二、三、四層無控和有控時(shí)加速度的時(shí)程曲線(圖14)。 結(jié)合表3和圖14可以得出，當(dāng)0.2 g、0.4 g的El-Centro波作用在模型結(jié)構(gòu)上時(shí)，阻尼器對(duì)輸變電塔模型的減震控制效果良好，其中結(jié)構(gòu)第三層的減震率最高，效果最明顯。由新型壓電摩擦阻尼器在輸變電塔模型結(jié)構(gòu)上起到的減震效果可以驗(yàn)證，本阻尼器有著良好的摩擦耗能性能，并且在結(jié)構(gòu)上有良好的有效性。

圖12 輸變電塔模型尺寸圖(單位：mm)Fig.12 The model size of the power transmission tower(unit：mm)

圖13 輸變電塔的ANSYS有限元模型Fig.13 ANSYS finite element model of the power transmission tower

表3 輸變電塔模型各層加速度峰值反應(yīng)和減震率(%)

圖14 0.2 g地震波作用下各層的加速度時(shí)程曲線Fig.14 Acceleration time-history curve of each layer under a seismic wave of 0.2 g

6 結(jié)語

本文研制一種新型壓電摩擦阻尼器，并且對(duì)其進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該新型壓電摩擦阻尼器擁有良好的摩擦耗能性能，并且可以根據(jù)實(shí)際情況選擇在阻尼器中設(shè)置不同數(shù)量的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，以獲得不同的摩擦耗能性能。將阻尼器應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的減震控制效果，具有良好的實(shí)用性。

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Finite-element Analysis and Test Study on a New Piezoelectric Friction Damper

ZHU Jun-qiang， ZHANG Ze-xin， ZHANG Ren-meng， LI Peng-fei

(SchoolofCivilEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an，Shaanxi710055，China)

Using the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics，this article developed a new piezoelectric friction damper based on semi-active control theory，and described its structure and working principle.The ABAQUS finite-element model of the new piezoelectric friction damper was established.By the model，the damper hysteresis curve was obtained under different conditions，and a hysteretic damper performance test was conducted.Simultaneously，the finite-element calculations and experimental values of the damper were compared.By comparing the hysteresis curves of the finite-element simulation and the hysteretic damper performance test，the following conclusions could be obtained.The hysteresis curve of the damper which installs one piezoelectric ceramic actuator was full，and the friction energy performance of the new piezoelectric friction damper was good；the hysteresis curve of the damper which installs two piezoelectric ceramic actuators was fuller than installing one piezoelectric ceramic actuator，thus by installing two piezoelectric ceramic actuators，the friction damper could obtain better friction energy performance；the cause of the deviation between the theoretical and experimental values was that the driver displacement of the piezoelectric ceramic actuator was small and was affected by many manufacturing factors；so the actual output of the damper was small.Then；a model of a new piezoelectric friction damper installed on a power transmission tower was established by ANSYS；and the acceleration response of the layers of the power transmission tower model was computed by MATLAB.The friction energy performance of the new piezoelectric friction damper in the actual structure could be verified.The following conclusions could be obtained through the finite-element simulation：the effect of the damping control of the new piezoelectric friction damper installed on a power transmission tower was good，and the new piezoelectric friction damper had good practicability.This article can provide a theoretical basis for the engineering applications of the damper.

piezoelectric ceramic actuator； piezoelectric friction damper； finite element analysis； test study

2014-06-30

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51008245)

朱軍強(qiáng)(1976-)，男，陜西人，副教授，從事工程結(jié)構(gòu)智能減震與控制技術(shù)研究.E-mail：492145400@qq.com

TU528.01

A

1000-0844(2015)02-0377-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0377