CN102080421A - 扭转型铅挤压的阻尼产生方法及其阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种扭转型铅挤压的阻尼产生方法，取封闭腔体，在封闭腔体内充填阻尼材料；在封闭腔体上贯穿中心转轴并与封闭腔体形成转动连接，在中心转轴上设置凸缘并将凸缘埋入阻尼材料中。一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅的封闭腔体及中心转轴，所述中心转轴穿过封闭腔体，在中心转轴上设置的凸缘。针对传统铅阻尼器利用相对平动位移耗能机制的特点，本发明提出一种全新的利用相对转角位移耗能机制的扭转型铅挤压阻尼器；该阻尼器具有构造简单、加工方便、性能稳定并具备良好的可扩展性。可直接利用相对转角位移使得中心转轴旋转挤压铅耗能；亦可采用转动齿轮与平动齿条将相对平动位移转换为中心转轴的旋转挤压铅耗能。

Description

扭转型铅挤压的阻尼产生方法及其阻尼器

技术领域

本发明为一种扭转型铅挤压的阻尼产生方法及其阻尼器，可有效将平动位移转换为转角位移，由此挤压耗能材料，进而消耗结构系统能量，对结构起到消能减震(振)的作用。

背景技术

消能减震(振)技术是一种有效的结构控制技术，它通过在结构的适当位置安装耗能减震(振)装置，以此减小结构在地震、大风或其它动力荷载作用下的动力响应。金属型阻尼器的一般荷载-位移曲线如图1所示，消耗能量如式(1)所示，荷载-位移曲线下包络面积(E_x)即为消耗能量，其量纲为“力×位移”。同样，当发生转角位移时宜可以耗能，其转角-弯矩曲线如图2所示，其包络面积即为消耗能量，如式(2)所示，量纲为“力×位移×弧度”，也即能量量纲。本发明正是利用(2)式构造适当的阻尼器形式。

$E_x={\∫}_0^{x}F\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(1\right)$

$E_{\mathrm{\θ}}={\∫}_0^{\mathrm{\θ}}M\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}---\left(2\right)$

传统的铅阻尼器包括铅挤压阻尼器、铅剪切阻尼器、铅节点阻尼器、圆柱型铅阻尼器、Focardi型铅耗能装置、异型铅阻尼器等。图3和图4分别为铅挤压阻尼器和剪切阻尼器；前者依靠中心轴与管腔内铅的相对运动，铅被挤压发生塑性变形消耗能量；后者依靠剪切杆端头剪切板剪切铅，铅发生剪切变形消耗能量。近些年来，陆续出现一些新型的铅阻尼器，如北京工业大学闫维明等开发的转动式铅剪切阻尼器和板式剪切型铅阻尼器；转动式剪切阻尼器主要用于梁柱节点，地震中梁柱节点发生变形倾斜时该阻尼器将发生作用；广州大学周云等开发了铅阻尼筒减震器；

既有研究表明，铅阻尼器具有以下特点：(1)在小变形下即可获得良好的耗能能力；(2)除圆柱型阻尼器外，其他阻尼器滞回环曲线具有典型的“库伦摩擦”特性，力学模型简单；(3)荷载频率和循环次数对工作性能影响较小，具有良好的稳定性和耐久性；(4)构造简单，制造方便。

传统铅阻尼器的一般均系利用相对平动位移的变化使得铅发生塑性变形，以此消耗能量；鲜有利用相对转动位移的变化使得铅发生塑性变形来耗能的情况。扭转铅挤压阻尼器与传统铅挤压阻尼器相比，两者弹性阶段的平面简化模型如图5和图6所示。其耗能本质分别如式(3)和(4)所示。可见，两者的耗能本质不同。

dE₁＝(Q₁+q₁L)dx                        (3)

dE₂＝(Q₂+q₂L/3)Ldθ                    (4)

式中：Q₁，q₁分别为传统铅挤压阻尼器挤压面压力和端部剪切力；Q₂，q₂分别为扭转铅挤压阻尼器挤压面压力和端部剪切力。

本发明以此为出发，根据既有铅阻尼器的特点，构造新型扭转铅挤压阻尼器，以满足不同的耗能需要。本发明提出一种基于中心轴扭转挤压铅耗能的铅挤压阻尼器，可用于扭转耗能结构体系中(如梁柱间的相对转角、旋转门阻尼制动)，或通过相关转换结构(如齿轮、斜面等)将常规的相对平动位移的耗能机制转换为相对转角位移的耗能模式。此外，传统铅挤压阻尼器和铅剪切阻尼器的行程受到外钢管长度和中心轴(剪切杆)本身的稳定性限制，本发明提出的利用转动齿轮和平动齿条进行转换后，相对平动位移幅值可以在较大范围内变动且平动齿条长度不受结构稳定性的影响。

发明内容

技术问题

本发明提供一种构造简单、加工方便、性能稳定、耗能能力强的扭转型铅挤压的阻尼产生方法及其阻尼器。

技术方案

本发明所述的一种扭转型铅挤压的阻尼产生方法，取封闭腔体，在封闭腔体内充填阻尼材料；在封闭腔体上贯穿中心转轴并与封闭腔体形成转动连接，在中心转轴上设置凸缘并将凸缘埋入阻尼材料中。

本发明所述的一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅的封闭腔体及中心转轴，所述中心转轴穿过封闭腔体，在中心转轴上设置的凸缘。

有益效果

本发明提供了一种构造简单、加工方便、性能稳定的扭转型铅挤压阻尼器：利用埋置于铅内中心转轴上凸缘的转动挤压铅，铅发生塑性变形耗能。对于可以直接应用于利用构件间相对转角位移耗能的体系；亦可通过设置转动齿轮和平动齿条的方法，将构件间的相对平动位移转换为扭转型铅阻尼器的耗能。

扭转型铅挤压阻尼器构造简单，耗能能力强，且不受工作硬化或疲劳的影响，具有良好的稳定性和耐久性。可广泛应用于工程结构的减振(震)耗能。

以单轴扭转铅挤压阻尼器为例，基于Abaqus平台分析该阻尼器的耗能特性。有限元模型中采取如下假定：(1)仅考虑凸缘与铅的接触，不考虑摩擦影响，即转动弯矩仅源于凸缘对铅的挤压；(2)假定作用于凸缘上的接触应力沿中心转轴方向没有变化；(3)假定封闭腔体以及转轴上的凸缘没有变形，视为刚体；(4)铅的材料特性采取理想弹塑性本构。根据(2)的假定，采用平面应变模式，计算出该模式下的中心转轴弯矩后，乘以凸缘的长度，即可视为该阻尼的转动弯矩估计，如式(5)所示。

$M=\stackrel{\‾}{m}L---\left(5\right)$

式中：

-依据平面应变模式计算的转动弯矩；M-阻尼器的转动弯矩估计；L-凸缘沿中心转方向的长度。

假定凸缘沿中心转轴方向的长度为120mm、高度为55mm，建立有限元模型如图7所示，单元和节点数分别为10929和10654。采用4节点平面应变单元CPE4R模拟铅；平面线刚体单元R2D2模拟凸缘；铅与凸缘间设置硬接触即铅不可穿透凸缘；约束铅四周节点以及凸缘剖面中心点的平移DOF。由于中心转轴在旋转过程中，铅的变形较大，为节约计算时间和便于模型收敛，文中采用Explicit求解器进行分析，选定凸缘旁一定圆周范围内的单元为ALE自适应网格以适应单元的严重变形。计算中同时考虑材料与几何非线性。凸缘中心点施加面外的转角时程如图8所示。

单轴与双轴情况下，每个中心转轴的转角-弯矩曲线如图9和图10所示(其中UFL和UFR分别为封装于一个封闭腔体内左右中心转轴的转动弯矩)。由图9可见，(1)转角-弯矩曲线接近矩形，较为饱满；(2)转动的初始刚度较大，一旦凸缘一的侧铅达到屈服应力后，转轴弯矩基本变化较小；(3)中心转轴变化转动方向时，转动弯矩出现跳跃。由于是平面应变模型，故输出的弯矩为每单位长度的弯矩，图9(左)可见，弯矩最大值约90N*m/mm。该弯矩尚需乘以凸缘沿中心转轴方向的长度L＝120mm，故输出弯矩峰值约10800N*m，再乘以转动的弧度即为消耗的能量。假定扭转铅挤压阻尼器端部以半径80mm的齿轮传递出来，中心轴转动1rad，则耗能为10800N*m，假定常规的铅挤压阻尼器峰值输出力135kN，则对应平动位移约80mm。

单轴扭转铅挤压阻尼器平面应变模型中，中心转轴转至某位置时，铅的Mises应力和等效塑性应变分布分别如图11和图12所示。可见，塑性应变分布主要集中于凸缘的旋转圆范围内，转动过程中，中心转轴附近铅的Mises应力基本均达到了屈服强度。

修改凸缘截面高度h至29mm、78mm以及100mm，分别建模计算出中心转轴转动弯矩峰值

。算例所给参数为例，经拟合，转动弯矩峰值

与凸缘高度h的初步估计关系式如式(7)所示(式中，

与h的单位分别为N*m/mm和mm)，其结果如图13所示。

$\stackrel{\‾}{m}=a{h}^2+\mathrm{bh}+c---\left(6\right)$

式中，

-依据平面应变模式计算的转动弯矩；h-凸缘高度；a、b、c-待定参数。

$\stackrel{\‾}{m}=0.03111h^2-0.1579h+1.197---\left(7\right)$

附图说明

下面结合附图和实施方式进一步对本发明进行说明。

图1位移-荷载曲线。

图2转角-弯矩曲线。

图3传统铅挤压阻尼器。

图4传统铅剪切阻尼器。

图5传统铅挤压阻尼器简化力学模型。

图6扭转铅挤压阻尼器简化力学模型。

图7铅挤压阻尼器平面模式下的有限元网格。

图8中心转轴的转角时程。

图9中心转轴的转角-弯矩曲线。

图10双中心转轴的转角-弯矩曲线。

图11中心轴转动过程中铅的Mises应力分布。

图12中心轴转动过程中铅的等效塑性应变分布。

图13凸缘高度对中心轴转动弯矩的影响。

图14为扭转挤压铅阻尼器三维视图。

图15扭转挤压铅阻尼器立面图。

图16为图2中A-A剖面。

图17为中心转轴三维示意图。

图18双凸缘中心转轴三维示意图。

图19双轴扭转挤压铅阻尼器。

以上的图中有：封闭腔体1、铅2、中心转轴3、凸缘4、转动齿轮5、平动齿条6。

具体实施方式

扭转型铅挤压阻尼器包括封闭腔体1、中心转轴3、铅2、转动齿轮5、平动齿条6。中心转轴3穿过封闭腔体1内部，且中心转轴3上的凸缘4置于封闭腔体1中部，通过设置轴向限位以控制中心转轴3与封闭腔体1的轴向相对运动；中心转轴3端部与转动齿轮5同心匹配并固定；平动齿条6与转动齿轮5根据需要进行匹配并相互固定。

上述封闭腔体一般采用钢板焊接；转动齿轮半径、齿数以及平动齿条次数系根据实际结构耗能要求设置；此外中心转轴的数量可根据实际要求，设置为双中心转轴。亦可通过增大中心转轴中部的凸缘高度以及凸缘沿轴向的宽度，以获取更大的转动阻力，进而提高该阻尼器的耗能能力。

分别连接于封闭腔体和平动齿条的独立结构发生相对平动位移时，通过齿条带动转动齿轮的转动，进而使得中心转轴发生转动，中心转轴中部凸缘挤压腔内填充的铅，铅因发生塑性变形耗能。

当采用较大的转动齿轮时，齿条大幅度的平动仅可引起中心转轴较小的转角位移，故大转动齿轮具有减小中心转轴转角位移的特点。反之，中心转轴则出现较大的转角位移，故小转动齿轮具有放大中心转轴转角位移的特点。转动齿轮与平动齿条的匹配可根据结构特点，设定一定的传动比率以获取适宜的耗能效果。

以上情况适合于扭转型铅挤压阻尼器应用于平动位移的耗能；如果直接是依靠转角位移耗能，则无需设置上述的转动齿轮和平动齿条，封闭腔体和中心转轴分别固定于需耗能的结构间即可。

对于直接利用构件间相对转角位移耗能的情况，封闭腔体1和中心转轴3分别与发生相对转角位移的构件固定；当构件间发生相对转角位移时，中心转轴3上的凸缘4旋转挤压封闭腔体1内铅2进行耗能。

对于利用构件间相对平动位移耗能的情况，中心转轴3端部应设置转动齿轮5与之同心匹配固定，平动齿条6与转动齿轮5匹配；封闭腔体1以及平动齿条6分别固定于发生相对平动位移的构件上；构件间的相对平动位移通过平动齿条6和转动齿轮5转换为中心转轴3的旋转，由此中心转轴3上的凸缘4旋转挤压封闭腔体1内铅2进行耗能。

实施例1

一种扭转型铅挤压的阻尼产生方法，取封闭腔体1，在封闭腔体1内充填阻尼材料2；在封闭腔体1上贯穿中心转轴3并与封闭腔体1形成转动连接，在中心转轴3上设置凸缘4并将凸缘4埋入阻尼材料2中。

实施例2

一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅2的封闭腔体1及中心转轴3，所述中心转轴3穿过封闭腔体1，在中心转轴3上设置的凸缘4。在位于封闭腔体1外部的中心转轴3端部设有转动齿轮5，在转动齿轮5上啮合有平动齿条6。

凸缘(4)数量可变，亦或互成一定的交角，中心转轴3可以为多根，参照图11、图12，每根中心转轴3上的凸缘4的数量为2，中心转轴3为2根。

Claims (3)

1.一种扭转型铅挤压的阻尼产生方法，其特征在于，取封闭腔体(1)，在封闭腔体(1)内充填阻尼材料(2)；在封闭腔体(1)上贯穿中心转轴(3)并与封闭腔体(1)形成转动连接，在中心转轴(3)上设置凸缘(4)并将凸缘(4)埋入阻尼材料(2)中。

2.一种扭转型铅挤压阻尼器，包括内部充填有铅(2)的封闭腔体(1)及中心转轴(3)，所述中心转轴(3)穿过封闭腔体(1)，其特征在于，在中心转轴(3)上设置的凸缘(4)。

3.根据权利2所述的扭转型铅挤压阻尼器，其特征在于，在位于封闭腔体(1)外部的中心转轴(3)端部设有转动齿轮(5)，在转动齿轮(5)上啮合有平动齿条(6)。

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