史明妹，付偉慶,2,*，李 茂，賈國(guó)行

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266525；3.榮華(青島)建設(shè)科技有限公司，青島 266426)

不同的結(jié)構(gòu)類型以及結(jié)構(gòu)所處地區(qū)具有不同的抗震和抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此進(jìn)行抗風(fēng)和抗震的控制，需要根據(jù)其具體情況設(shè)置能夠輸出滿足其要求的阻尼力，因此不同結(jié)構(gòu)及地區(qū)對(duì)于阻尼器出力形式及大小也有不同的要求。被動(dòng)變阻尼裝置具有輸出可變阻尼力且不需外部能源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作的阻尼器變阻尼性能已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1]。相關(guān)計(jì)算分析表明，該裝置可以很好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)對(duì)地震和風(fēng)荷載振動(dòng)控制[2-3]。被動(dòng)變阻尼裝置和構(gòu)造如圖1和圖2所示。

圖1 被動(dòng)變阻尼裝置

圖2 被動(dòng)變阻尼裝置構(gòu)造

本文通過對(duì)被動(dòng)變阻尼裝置主要影響參數(shù)交叉孔形狀、流入孔半徑和長(zhǎng)度、彈簧預(yù)壓力及彈簧剛度對(duì)阻尼力的影響分析，得到各因素對(duì)阻尼力的影響關(guān)系。以此為基礎(chǔ)提出被動(dòng)變阻尼裝置設(shè)計(jì)方法，最后通過一工程實(shí)例說明所提出設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用過程，證明了該方法的合理性及可行性。研究成果為被動(dòng)變阻尼裝置的工程應(yīng)用提供了參考和指導(dǎo)。

1 被動(dòng)變阻尼裝置仿真建模及分析

1.1 裝置節(jié)流閥模型

被動(dòng)變阻尼裝置主要由阻尼油缸、阻尼閥、單向閥和阻尼管道組成。其中，阻尼閥是被動(dòng)變阻尼裝置的主要出力構(gòu)件，也是影響變阻尼的主要部分，為節(jié)省計(jì)算資源，有限元分析只對(duì)阻尼閥進(jìn)行分析。由于閥座及閥芯固體對(duì)流體的影響較小，且彈簧對(duì)流體的作用可簡(jiǎn)化為作用在流體上的彈力，因此節(jié)流閥的模擬只對(duì)阻尼閥內(nèi)的流體進(jìn)行分析，又因模型的對(duì)稱性以及流體流動(dòng)的獨(dú)立性，可將模型簡(jiǎn)化為1/4模型。圖3為阻尼閥流體網(wǎng)格模型。

1.2 有限元計(jì)算分析

模擬采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法，由于動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的要求比較高，因此為節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，模擬采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，將活動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)問題轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)分析。分析過程：將連續(xù)正弦入口速度分為若干點(diǎn)，給定入口不同速度，計(jì)算得到作用在活動(dòng)閥芯上的流體力大小，然后通過流體力與彈簧力的平衡原則，計(jì)算得到活動(dòng)閥芯的位置，最后利用ANSYS 進(jìn)行參數(shù)化建模和分析[4-6]。計(jì)算過程可以概括為三步，計(jì)算過程流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算分析過程

2 被動(dòng)變阻尼裝置阻尼力主要影響參數(shù)計(jì)算分析

影響被動(dòng)變阻尼裝置阻尼出力大小和時(shí)程的主要因素有流入孔長(zhǎng)度、流入孔半徑、交叉孔形狀以及活動(dòng)閥芯的位移量，通過對(duì)被動(dòng)變阻尼裝置阻尼閥主要影響參數(shù)的計(jì)算分析，可得到各個(gè)參數(shù)對(duì)阻尼力的影響關(guān)系，為被動(dòng)變阻尼裝置設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2.1 交叉孔形狀

被動(dòng)變阻尼裝置不同的交叉孔形狀對(duì)裝置出力過程具有明顯的差異，根據(jù)多種交叉孔孔形在出力過程、阻尼力大小等因素建立阻尼閥交叉孔孔形出力庫，被動(dòng)變阻尼裝置設(shè)計(jì)過程中根據(jù)出力要求選擇合適的交叉孔孔形。圖5為不同交叉孔孔形的出力過程。

由圖5可以看出，在流入口速度相同的情況下，不同的交叉孔產(chǎn)生的阻尼力大小不同，且不同的交叉孔形狀阻尼系數(shù)突變時(shí)的臨界速度不同，表現(xiàn)為倒三角形和圓形突變速度較小，凸形、菱形、正三角形和矩形突變速度較大。

活動(dòng)閥芯位移影響阻尼力產(chǎn)生趨勢(shì)，各種交叉孔孔形在活動(dòng)閥芯位移量較小時(shí)，出力過程均為線性，當(dāng)活動(dòng)閥芯位移到一定數(shù)值時(shí)，倒三角形交叉孔首先出現(xiàn)變阻尼的狀態(tài)且阻尼系數(shù)突變較大，菱形和圓形交叉孔相對(duì)于倒三角形阻尼力變化較平緩，正三角形、矩形和凸形交叉孔阻尼力變化最平緩。

根據(jù)以上交叉孔孔形對(duì)阻尼力的影響，以阻尼系數(shù)變化劇烈、較平緩和平緩為區(qū)分，將交叉孔形狀分為三類。表1為根據(jù)阻尼系數(shù)變化情況建立阻尼出力庫。

表1 交叉孔形狀影響阻尼出力庫

2.2 彈簧預(yù)壓力及彈簧剛度

彈簧預(yù)壓力的值對(duì)變阻尼裝置開啟變阻尼的臨界速度值具有重要影響，圖6為彈簧預(yù)壓力與剛度的影響曲線。

圖6 彈簧預(yù)壓力及剛度影響曲線

由圖6可以看出，預(yù)壓力每增加1 mm，變阻尼裝置出力突變時(shí)的速度約增加0.5 m/s，速度越大，變阻尼裝置的出力越大；而彈簧剛度對(duì)變阻尼裝置的影響主要體現(xiàn)在活動(dòng)閥芯的位移上，彈簧剛度越小，相同的速度下，活動(dòng)閥芯位移越大，交叉孔的面積越小，導(dǎo)致變阻尼裝置的出力越大。

2.3 流入孔長(zhǎng)度與半徑

在交叉孔面積固定的情況下，流入孔長(zhǎng)度及半徑的大小決定被動(dòng)變阻尼裝置在黏滯阻尼階段的出力大小，調(diào)整流入孔的長(zhǎng)度及半徑即可滿足被動(dòng)變阻尼裝置在黏滯阻尼階段的出力要求。圖7為流入孔長(zhǎng)度、半徑與阻尼力的關(guān)系曲線。

圖7 流入孔長(zhǎng)度、半徑與阻尼力的關(guān)系

從圖7可以看出，在黏滯阻尼階段，隨著流入孔長(zhǎng)度的增加，阻尼力增加，阻尼力與流入孔長(zhǎng)度之間的變化基本呈線性變化。阻尼力與流入孔半徑的關(guān)系表現(xiàn)為，隨著流入孔半徑的減小阻尼力增加，當(dāng)流入孔半徑大于2 mm時(shí)，阻尼力隨著流入孔半徑的變化比較平緩；當(dāng)流入孔半徑小于2 mm時(shí)，阻尼力隨著流入孔半徑的變化比較明顯。

2.4 交叉孔面積

初始交叉孔的面積值影響?zhàn)枘犭A段以及被動(dòng)變阻尼階段的初始阻尼力的大小。圖8為不同交叉孔孔形交叉孔面積與阻尼力的關(guān)系曲線。

由圖8可以看出，在相同的入口速度下，不同交叉孔孔形阻尼系數(shù)突變時(shí)的交叉孔面積不同，表現(xiàn)為倒三角形交叉孔阻尼系數(shù)突變時(shí)的交叉孔面積較大，矩形、凸形、菱形、圓形阻尼系數(shù)突變時(shí)的交叉孔面積較小。

在阻尼出力方面，不同交叉孔孔形達(dá)到相同的阻尼力時(shí)所要求的交叉孔面積不同，表現(xiàn)為倒三角形交叉孔面積較大，矩形和圓形次之，凸形交叉孔面積較小，菱形面積最小。

在設(shè)計(jì)阻尼器過程中，選定交叉孔形狀，即可根據(jù)以上規(guī)律初步預(yù)測(cè)交叉孔初始面積值。

3 被動(dòng)變阻尼裝置設(shè)計(jì)方法

針對(duì)以上影響阻尼器出力性能的設(shè)計(jì)參數(shù)，提出裝置設(shè)計(jì)方法以滿足工程應(yīng)用需要[7-9]。

3.1 設(shè)計(jì)流程

通過對(duì)被動(dòng)變阻尼裝置的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)小震或小頻率風(fēng)振下黏滯阻尼器的效果；當(dāng)速度增大，黏滯阻尼器不能滿足出力要求時(shí)，被動(dòng)變阻尼裝置發(fā)揮變阻尼的功能；而當(dāng)遇到極大速度情況時(shí)，被動(dòng)變阻尼裝置則被鎖死，防止裝置破壞。具體設(shè)計(jì)流程如圖9所示，其中幾個(gè)關(guān)鍵步驟將在下文中具體說明。

圖9 被動(dòng)變阻尼裝置設(shè)計(jì)方法流程

被動(dòng)變阻尼裝置的設(shè)計(jì)主要包括兩部分：油缸設(shè)計(jì)和阻尼閥的設(shè)計(jì)，其中阻尼閥的設(shè)計(jì)又根據(jù)活動(dòng)閥芯是否有位移分為黏滯阻尼階段設(shè)計(jì)和變阻尼階段設(shè)計(jì)。

油缸設(shè)計(jì)部分：油缸的高度根據(jù)給定行程設(shè)計(jì)，設(shè)定油缸高度設(shè)計(jì)為行程值的4倍。

阻尼閥設(shè)計(jì)的黏滯阻尼階段：首先根據(jù)給定的小速度vmin、小速度情況下要求達(dá)到的阻尼力以及圖6、圖7和圖8預(yù)設(shè)彈簧預(yù)壓力值、流入孔長(zhǎng)度和半徑以及交叉孔初始面積值，在速度vmin下進(jìn)行阻尼力驗(yàn)算，根據(jù)阻尼出力的要求和計(jì)算得到的活動(dòng)閥芯位移，從而確定流入孔長(zhǎng)度和半徑、交叉孔的初始面積值以及彈簧預(yù)壓力值。

阻尼閥設(shè)計(jì)的變阻尼階段：根據(jù)阻尼出力過程和vmax速度時(shí)要求的阻尼力值，在阻尼力出力庫中選擇交叉孔形狀和調(diào)整交叉孔的長(zhǎng)度使變阻尼裝置在vmax速度下滿足該速度下要求的出力過程和阻尼力值，此時(shí)可以確定交叉孔的具體參數(shù)以及得到vmax速度下活動(dòng)閥芯的位移值x；當(dāng)速度達(dá)到極限速度vex時(shí)，調(diào)整活動(dòng)閥芯的長(zhǎng)度使阻尼閥恰好被鎖死。根據(jù)彈簧預(yù)壓力值和大速度下活動(dòng)閥芯位移，公式F彈=F流即可確定彈簧剛度以及彈簧預(yù)壓長(zhǎng)度。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

某結(jié)構(gòu)在小速度vmin為0.13 m/s時(shí)要求阻尼出力為60 kN，大速度vmax為0.25 m/s時(shí)要求阻尼出力為180 kN，當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)，阻尼閥被鎖死。結(jié)構(gòu)最大行程為100 mm，阻尼出力變化劇烈。

設(shè)計(jì)過程如下：

3.2.1 油缸設(shè)計(jì)

根據(jù)給定要求行程hs為100 mm，得到油缸的高度為h0=4hs=400 mm，油缸其余尺寸按固定尺寸設(shè)置。

3.2.2 阻尼閥設(shè)計(jì)

3.2.2.1 黏滯阻尼階段設(shè)計(jì)

1) 設(shè)定彈簧預(yù)壓力為2.152 kN。

2) 設(shè)定活動(dòng)閥芯長(zhǎng)度為36 mm。

3) 設(shè)定流入孔長(zhǎng)度為10 mm，流入孔半徑為1.5 mm。

4) 選擇菱形交叉孔，根據(jù)矩形交叉孔面積與阻尼力關(guān)系曲線，因此預(yù)設(shè)初始交叉孔面積為23.76 mm2。

5) 在以上設(shè)定參數(shù)下，利用有限元軟件對(duì)在小速度vmin為0.13 m/s時(shí)進(jìn)行阻尼出力模擬，得到該速度下阻尼器的阻尼力為61.138 kN，滿足要求。圖10為模擬結(jié)果。

圖10 vmin下模擬結(jié)果

從圖10中可以看出，被動(dòng)變阻尼裝置在該速度下阻尼力為61.138 kN，活動(dòng)閥芯在該速度范圍內(nèi)沒有移動(dòng)，超過該速度活動(dòng)閥芯開始移動(dòng)，說明該要求下的流入孔長(zhǎng)度、半徑和彈簧預(yù)壓力符合要求。

以上普通黏滯阻尼階段設(shè)計(jì)結(jié)束，即可得到給定要求下裝置尺寸值：彈簧預(yù)壓力為2.152 kN，流入孔長(zhǎng)度為10 mm，流入孔半徑為1.5 mm。

3.2.2.2 變阻尼階段設(shè)計(jì)

在完成阻尼閥黏滯阻尼階段的設(shè)計(jì)后，可以在確定的阻尼閥參數(shù)下進(jìn)行變阻尼階段阻尼閥的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)階段要求輸出交叉孔的具體參數(shù)、彈簧剛度和預(yù)壓長(zhǎng)度以及活動(dòng)閥芯的長(zhǎng)度。

1) 正常變阻尼階段：

①要求阻尼器輸出阻尼力過程較劇烈，最大阻尼力要求較大，根據(jù)交叉孔形狀出力庫選擇倒三角形交叉孔形狀。

②根據(jù)阻尼閥在黏滯阻尼階段設(shè)計(jì)得到的交叉孔初始面積23.76 mm2下，設(shè)置倒三角形交叉孔具體尺寸為：底8.64 mm×高5.5 mm。

③采用與黏滯阻尼階段步驟5)相同的驗(yàn)算過程，驗(yàn)算阻尼器在大速度vmax為0.25 m/s時(shí)輸出的阻尼力的值，得到該速度下的模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 vmax下模擬結(jié)果

由圖11可以看出，在大速度0.25 m/s時(shí)，阻尼器在交叉孔尺寸為8.64 mm×5.5 mm時(shí)輸出的阻尼力滿足要求。

該速度下活動(dòng)閥芯處所受流體力值為2832 N，活動(dòng)閥芯滿足阻尼力要求的位移為4.6 mm，根據(jù)公式F流=k·x，得到彈簧剛度值為615.65 N/mm。

2) 極限變阻尼階段：當(dāng)阻尼器輸入極限速度0.5 m/s時(shí)，要求活動(dòng)閥芯的長(zhǎng)度正好能夠使阻尼閥處于鎖死狀態(tài)，防止裝置破壞。因此達(dá)到極限速度時(shí)，活動(dòng)閥芯的位移根據(jù)交叉孔的尺寸應(yīng)為5.5 mm，根據(jù)固定閥芯的長(zhǎng)度計(jì)算得到活動(dòng)閥芯的長(zhǎng)度為50.6 mm-5.5 mm=45.1 mm。

最后，根據(jù)變阻尼階段的設(shè)計(jì)，可以確定出裝置可變尺寸，見表2。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸值

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)影響被動(dòng)變阻尼裝置阻尼力輸出的主要參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，給出了設(shè)計(jì)過程中有效出力的范圍。在此基礎(chǔ)上，提出了一種適合于被動(dòng)變阻尼裝置的工程設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)具體需求設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際工況的被動(dòng)變阻尼裝置。通過對(duì)具體實(shí)例的分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法具有實(shí)際的可行性和有效性，該設(shè)計(jì)方法為被動(dòng)變阻尼裝置的工程應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。