林籽先 陳立浩 王云騫 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 上海 200092

碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合可行性分析

林籽先 陳立浩 王云騫 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院 上海 200092

碰撞阻尼器通過摩擦、碰撞來轉(zhuǎn)移并耗散結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，較多設(shè)置為顆粒碰撞阻尼器，但實(shí)際運(yùn)用中仍有許多要改進(jìn)的地方。電磁阻尼器是有待進(jìn)一步研究的方向，通過運(yùn)用不同于傳統(tǒng)的電磁阻尼機(jī)理，和碰撞阻尼器組合將可以增大原阻尼器耗能效率，克服一定缺點(diǎn)。本文就這兩種阻尼器機(jī)理進(jìn)行分析并對(duì)組合后的效果進(jìn)行了可行性分析，利于下一步實(shí)際的研究。

碰撞阻尼器；電磁阻尼器；可行性分析

0　引言

碰撞阻尼器屬于非線性振動(dòng)系統(tǒng)，而其固有的復(fù)雜非線性特征決定了其理論研究的復(fù)雜性，它不像動(dòng)力消振器那樣能夠找到計(jì)算最優(yōu)參數(shù)的公式。近年來圍繞這一內(nèi)容已經(jīng)開展了許多研究工作，并研究了在自激振動(dòng)下碰撞阻尼器系統(tǒng)的分岔與混沌過程，研究了碰撞阻尼器混沌運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型建立，他們的研究都是基于碰撞阻尼器是在完全彈性碰撞的假設(shè)分析而得的，是偏向理論化的。因此，為了將理論實(shí)踐化，又避免碰撞阻尼器趨向混沌運(yùn)動(dòng)而影響減振效果，本文將分析對(duì)碰撞阻尼器改進(jìn)的可能性及問題分析，這方面的研究對(duì)理論通向?qū)嵺`運(yùn)用有很好的指導(dǎo)意義。

1　碰撞阻尼器阻尼機(jī)理分析

阻尼器的設(shè)置是為了增大耗能，減小主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度，從而達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。目前常用的建筑結(jié)構(gòu)阻尼器類型多種多樣，包括粘滯阻尼器、碰撞阻尼器等。本文以碰撞阻尼器為主進(jìn)行介紹。碰撞阻尼器在工作過程中，耗能機(jī)理分為兩種：一種是主系統(tǒng)與自由質(zhì)量相互之間由于碰撞前后速度變化而發(fā)生動(dòng)量傳遞，引起碰撞耗能；另一種是主系統(tǒng)與自由質(zhì)量和自由質(zhì)量間間相對(duì)滑動(dòng)引起摩擦耗能。

當(dāng)自由質(zhì)量只有單個(gè)時(shí)，能量耗散主要靠碰撞過程中的動(dòng)量傳遞；隨著自由質(zhì)量個(gè)數(shù)增多，摩擦耗能比逐漸增大，與動(dòng)量傳遞耗能同時(shí)起作用。但是摩擦耗能比不會(huì)無限上升，當(dāng)自有質(zhì)量變小個(gè)數(shù)變多到一定限度，對(duì)總摩擦力影響甚小，極端例子就是一些高層建筑頂層設(shè)置水池充當(dāng)阻尼器作用。經(jīng)過對(duì)相關(guān)內(nèi)容研究分析，參與碰撞的自由質(zhì)量個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)的阻尼越大，減振效果就越好，所以實(shí)際生產(chǎn)中更多以顆粒碰撞阻尼器為主，但碰撞阻尼器的兩個(gè)敏感參數(shù)，間隙比和恢復(fù)系數(shù)比較難以確定。本文作者認(rèn)為既然碰撞阻尼器在參數(shù)選擇上難做到最優(yōu)化，且自身易產(chǎn)生混沌運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)減振有不良影響，那么對(duì)單一的碰撞阻尼器進(jìn)行組合改進(jìn)是一個(gè)除了進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)外的較好選擇。

2　電磁耗能機(jī)理分析

在目前眾多阻尼器中，利用電磁耗能的技術(shù)并未被廣泛應(yīng)用于碰撞阻尼器當(dāng)中，但有很多關(guān)于單一電磁耗能阻尼器的研究與應(yīng)用，而且電磁阻尼器由于其直接接觸、噪聲小、維護(hù)方便、可靠性高、阻尼力可調(diào)，在工程中都有廣泛的應(yīng)用。其中又分為利用動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行耗能。

動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)由電磁感應(yīng)定律知道，金屬板在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生渦流同時(shí)轉(zhuǎn)化為電阻熱而耗散掉，電磁阻尼器即是基于此原理而開發(fā)的。從能量方面看，當(dāng)渦流板在結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，將相對(duì)阻尼器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生渦流而耗散能量，即機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，從受力方面看當(dāng)渦流板相對(duì)阻尼器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)將提供一定的阻尼力，而阻尼力是耗能減振器的最重要參數(shù)，阻尼力越大越好。而類似的實(shí)驗(yàn)顯示，電磁阻尼器在適中構(gòu)件大小的情況下能產(chǎn)生的阻尼力較為有限，同時(shí)阻尼力在振動(dòng)過程中會(huì)有異常增大的情況。產(chǎn)生這些情況的原因有兩種，一是構(gòu)件性能有限，無法在較小的體量下產(chǎn)生較大的效應(yīng)，這就表明電磁阻尼器有改進(jìn)或與其他類型的阻尼器組合的必要性。

二是電磁耗能產(chǎn)生渦流的變異性，這直接導(dǎo)致了阻尼力在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)有較大的增福，而這種現(xiàn)象仍有待研究。感生電動(dòng)勢(shì)目前較少運(yùn)用，其基本原理是通過磁場(chǎng)在線圈中的強(qiáng)弱變化引起線圈的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，從而使線圈產(chǎn)生反向斥力即阻尼力并由于線圈的電阻效應(yīng)進(jìn)行耗能。這種機(jī)理最大的優(yōu)點(diǎn)便是耗能方面會(huì)有較大的保障，在質(zhì)量塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼器產(chǎn)生的反向阻尼力更可控，耗能機(jī)制更科學(xué)。

3　碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合優(yōu)化

目前較多的研究表明，碰撞阻尼器的質(zhì)量體在相同質(zhì)量下，數(shù)量越多，減振效果越好，但會(huì)存在一個(gè)近似的極值。因此目前碰撞阻尼器根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果較多設(shè)計(jì)為顆粒碰撞阻尼器。但顆粒碰撞阻尼器仍有許多應(yīng)用上的缺點(diǎn)：首先，傳統(tǒng)的顆粒阻尼器內(nèi)顆粒堆疊在一起，這樣極大地限制了顆粒的運(yùn)動(dòng)能力，減振效果不佳；其次，顆粒群由尺寸相同的顆粒組成，在外激勵(lì)下碰撞次數(shù)較少?gòu)亩芰亢纳⑿Ч?。因此目前較多的顆粒阻尼器研究是如何提高其工作效率，即原理可行但仍有改進(jìn)的必要。有些優(yōu)化是設(shè)置為鏈?zhǔn)?，方陣式的顆粒碰撞陣列，但這些研究只是最優(yōu)化的解決，增大了碰撞效率但犧牲了碰撞次數(shù)，且較為耗費(fèi)空間，不利于工程中的實(shí)際運(yùn)用。

綜上兩點(diǎn)所述，我們可以將碰撞阻尼器與電磁阻尼器組合進(jìn)行優(yōu)化，在此我們先舉單個(gè)質(zhì)量塊為例子如圖1。

圖1

這是組合阻尼器的剖面效果圖，附加質(zhì)量塊兩端裝配強(qiáng)磁性擋件，軌道兩終端配有高阻尼橡膠擋件協(xié)助耗能，軌道外設(shè)置電阻適當(dāng)?shù)亩嘣丫€圈，并可連接通電。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，附加質(zhì)量塊在自身慣性的作用下將相對(duì)阻尼器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，附加質(zhì)量塊兩端的強(qiáng)磁性材料原本對(duì)兩端的線圈的磁場(chǎng)就會(huì)呈現(xiàn)增強(qiáng)減弱的往復(fù)變化，由于感生電動(dòng)勢(shì)的原理，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向指向的線圈會(huì)產(chǎn)生電流并產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，而遠(yuǎn)離方向的線圈則相反，但兩者都會(huì)對(duì)質(zhì)量塊施加減弱運(yùn)動(dòng)的阻尼力并在線圈中產(chǎn)生焦耳熱耗能。當(dāng)振動(dòng)幅度過大時(shí)，軌道兩端的高阻尼擋件會(huì)協(xié)助耗能。在振動(dòng)停止后，可以對(duì)兩端線圈通電流使質(zhì)量塊慢慢回復(fù)到原來的位置，利于下一次運(yùn)用。這樣的組合設(shè)計(jì)在往常的研究中尚未出現(xiàn)，本文為其總結(jié)了以下優(yōu)點(diǎn)：

1）質(zhì)量塊振動(dòng)幅度被大大減弱，碰撞次數(shù)減小不但可以增大耗能還可以減小噪音。

2）理論上有可減小碰撞質(zhì)量塊混沌的可能性，有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

在關(guān)于組合兩種阻尼器上會(huì)有性能上的優(yōu)化，但優(yōu)化多少還是得靠模擬實(shí)驗(yàn)來提供進(jìn)一步的優(yōu)化參數(shù)選擇，因此是有待研究的方向，而對(duì)于本組合的細(xì)節(jié)調(diào)整以及未來的改進(jìn)優(yōu)化都將基于本組合模型的基本思路。

林籽先（1995- ），男，廣東人，本科生，建筑工程方向。