張 銳， 高芳清, 范晨光

(西南交通大學力學學院, 四川成都 610031)

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一種合金減振與隔振支座減振特性研究

張 銳， 高芳清, 范晨光

(西南交通大學力學學院, 四川成都 610031)

在橋梁領域中，減振隔振問題較為關鍵。針對這種重要的力學元素，文章研究了一種鋅鋁合金材料減振與隔振支座，并分析了其在低頻段的正弦載荷激振作用下的減振率及振級落差。為了使分析更加可靠，引入了普通鋼支座進行對比實驗，并分析了影響鋅鋁合金支座減振能力的因素。實驗表明，在激振頻率為1～25 Hz的激振力作用下，鋅鋁合金支座的減振能力遠優(yōu)于普通鋼支座，同時，支座的減振層厚度對系統(tǒng)的減振能力也有很大的影響。這對橋梁支座的減振分析及合理的結(jié)構(gòu)設計具有重要的意義。

鋅鋁合金材料； 減振與隔振支座； 減振率

隨著橋梁現(xiàn)代化建設的不斷發(fā)展，對橋梁自身的可靠性能要求越來越高，而其減振和抗沖擊性能[1]是其中非常重要的指標。目前，各種新型材料逐漸被用到橋梁減振支座的研究當中，包括橡膠減振支座和各類合金減振支座系統(tǒng)[2,8]等。橡膠減振支座是目前國內(nèi)外使用較多的制作類型，其相關的力學性能研究也是碩果累累[9-10]，而合金減振支座的相關研究則相對較少。

合金減振材料相對于橡膠減振材料，具有更大的抗壓強度，更優(yōu)的抗剪性能，更長的使用壽命；同樣也存在材料成本更高、自身剛度較高等缺點[3]，是需要不斷關注、解決的問題。

本文研究了一種用鋅鋁合金Za-27[3-4]材料設計的一種非線性彈性阻尼減振系統(tǒng)，通過減振實驗證明此系統(tǒng)在不同加載頻段均具有較好的減振性能，同時進行仿真模擬分析加以驗證，為以后各類新型合金材料在減振支座上的應用提供了經(jīng)驗。

1 減振與隔振結(jié)構(gòu)

1.1 減振與隔振系統(tǒng)模型

本文中設計的減振與隔振系統(tǒng)為非線性彈簧阻尼模型[5]，其力學模型如圖1所示。

圖1 非線性彈簧阻尼模型

其中：m是上層質(zhì)量，x(t)為上層質(zhì)量塊位移，c為彈性支撐的粘性阻尼系數(shù)，k1和k2為非線性彈性支撐的剛度，f(t)為外界作用在支座上的周期激振力，F(xiàn)T(t)為傳遞到基礎上的力。

此簡化模型上層隔離部分的振動方程為：

(1)

設

(2)

當非線性程度極小，即k1?k2，則式(1)可寫為：

(3)

將式(2)帶入式(3)得：

(4)

(5)

式(2)、式(4)帶入式(5)得到：

(6)

當非線性程度不滿足k1?k2時，結(jié)構(gòu)在定頻激振下的力傳遞率為非常數(shù)，此時只能通過時間步長輸出其數(shù)值解，無法通過解析解表達。

1.2 設計實驗

設計實驗中所使用到的減振器結(jié)構(gòu)如圖2所示。減振器結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，由于激振力的特點，故只需要考慮減振器結(jié)構(gòu)在豎直方向的振動特性。

圖2 減振器結(jié)構(gòu)

本實驗通過對普通Q345鋼材料和新型Za-27鋅鋁合金材料進行對照試驗，探究兩種材料在相同環(huán)境、相同工況下的動力學特性差異、設計優(yōu)化方案；探究相同材料不同層厚的工況下，其減振能力的改變將如何發(fā)展，從而可以更大限度的提高減振器支座的減振能力。

根據(jù)上述分析，本實驗對5 mm、10 mm、15 mm的Q345鋼和Za-27鋅鋁合金分別進行定頻激振，激振力模擬實際工況，其大小為25±6 MPa，激振器模型如圖3所示。

圖3 激振器模型

實驗時，以2 Hz的頻率步長對減振裝置在低頻區(qū)間(1～25 Hz)范圍進行定頻激振，并測量減振裝置上層和下層位置的響應。實驗測得的響應做進一步的分析得到不同層厚的兩種材料在低頻區(qū)間的力傳遞率曲線和加速度振級落差[6]。本實驗還設計了在固有頻率下兩種材料的超聲激振實驗，通過半功率帶寬法提取阻尼比[7]，為接下來仿真分析中阻尼比參數(shù)的輸入提供依據(jù)。

2 減振與隔振系統(tǒng)仿真分析

針對上述新型減振支座結(jié)構(gòu)進行了仿真分析[8]，分析方法如下：

(1)首先建立單層減振與隔振的有限元模型，并對模型進行適當?shù)暮喕?/p>

(2)將模型導入大型有限元軟件Ansys中；

(3)將激振試驗的試驗條件作為輸入條件輸入到Ansys軟件中，分別對不同材料不同層厚的兩類模型進行計算；

(4)計算完成后，分別提取模型中指定部位的應力和位移，得到其力傳遞率和加速度振級落差并進行對比分析，從而得出結(jié)論。

圖4為單層減振與隔振系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖，圖5為有限元分析模型。首先對模擬新型Za-27彈性支座進行有限元分析，并提取支座上下中心點的應力和位移響應值，通過二次差分法將位移量轉(zhuǎn)化為加速度量，得到其裝置的力傳遞率與加速度振級落差；然后將減振層的材料參數(shù)設定為Q345鋼的參數(shù)，即變?yōu)槠胀ㄤ撝ё臏p振與隔振結(jié)構(gòu)，對其再次進行有限元分析，并提取上述位置參數(shù)。分析結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖4 二維結(jié)構(gòu)

圖5 有限元分析模型

圖6 Za-27支座力傳遞率(有限元)

圖7 Q345鋼支座力傳遞率(有限元)

圖6、圖7表明，有限元模擬實驗在1～25低頻段區(qū)域，激振力經(jīng)過Za-27減振器后，力傳遞率在0.7左右，則減振率為30 %；相同工況下經(jīng)過Q345減振器后，力傳遞率在0.9～1左右，則減振率為0 %～10 %。即新型支座減振器可以吸收部分傳遞能量，且吸收能力遠大于普通鋼支座。由于時間步長限制，二次差分法求解加速度振級落差的結(jié)果并不能達到其精確程度，故無法為其激振實驗結(jié)果提供參考作用。

阻尼比實驗設計為對實驗材料在其固有頻率基礎上進行激光定頻激振，以半功率帶寬法解得所需要的阻尼比系數(shù)。分別用自由衰減法和共振法求得材料阻尼比，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 材料阻尼比 %

3 激振實驗

為了驗證本文設計的新型Za-27減振與隔振支座的減振效果，進行了多次且大量級的定頻激振實驗。表2為激振實驗條件。

表2 激振實驗條件

實驗時，以5 mm、10 mm、15 mm層厚的兩種材料減振塊作為實驗對象，分別對其進行1～25 Hz的定頻激振實驗，并測量其豎向的應力與位移時程曲線。將實驗測得的各個裝置的減振數(shù)據(jù)與模擬實驗進行對比分析，如圖8、圖9所示。

(a)Za-27Al

(b)Q345圖8 力傳遞率隨頻率的變化

(a)Za-27Al

(b)Q345圖9 加速度振級落差隨頻率的變化

(1) 圖8表明，在25±6 MPa載荷幅值的激振作用下，經(jīng)過Za-27減振器作用后，其傳遞力衰減為初始力的70 %左右，且在激振頻率3～10 Hz區(qū)間，減振效果達到最優(yōu)狀態(tài)；

而經(jīng)過Q345減振器作用后，其傳遞力衰減效果僅達到10 %左右；并且隨著支座層厚的增加，同一材料支座的減振能力呈現(xiàn)逐一增強的趨勢，與上述有限元分析模擬結(jié)果基本吻合，即新型Za-27減振器具有比普通支座更有效的吸能、減振效果。

(2) 由圖9可知，當激振頻率高于12 Hz時，不同層厚的兩種支座的加速度振級落差均成減小趨勢，且Za-27合金支座在振級落差比上整體優(yōu)于普通鋼支座，而隨著材料厚度的增加，其振級落差隨之降低。

(3) 表1中，Za-27材料的阻尼比接近于Q345鋼材料的兩倍，說明其阻尼性能遠優(yōu)于普通鋼支座，Za-27材料更有利于能量的耗散，與圖9、圖10中表達的結(jié)果是一致的。

4 結(jié)論

經(jīng)過以上的分析，在大量級的激振載荷作用下，可得到如下結(jié)論：

(1) 在25±6 MPa激振下，Za-27減振支座在頻率范圍在1～25 Hz區(qū)間的的減震效果遠優(yōu)于普通Q345鋼支座。當頻率處于3～10 Hz區(qū)間時，減振效果趨于最優(yōu)狀態(tài)。Za-27合金材料的阻尼比測試進一步表明鋅鋁合金材料用作減振材料的可行性。

(2) 當使用新型Za-27減振支座進行減振時，合理增加減振層的層厚可以提高系統(tǒng)的減振、隔振能力。

(3) 經(jīng)試驗驗證，設計的新型阻尼減振結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多次高強度激振試驗后后依然能夠正常工作，這對橋梁支座的可靠性設計具有重要的意義。

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張銳(1992～)，男，在讀碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)振動控制。

U443.36

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[定稿日期]2017-03-20