CN103244598B - 基于多孔节流的粘滞流体阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞安装于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，活塞上开有一个或多个平行于轴向的节流孔，节流孔内安装有通透的多孔结构材料，并且其多孔结构所形成的流道为弯曲的，粘滞流体能够从多孔结构材料中流入或流出。本发明通过调整孔结构可以实现阻尼器速度指数的调节，这可以极大丰富阻尼器的本构关系，而使得可以设计的产品更加广泛。同时给框架结构提供较大的阻尼，大幅度地降低框架结构的位移和加速度反应，提高建筑物的抗震性能。

Description

基于多孔节流的粘滞流体阻尼器

技术领域

本发明涉及的是一种减振装置，具体地说是一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器。

背景技术

粘滞流体阻尼器是一种被动耗能减振装置，它主要包括缸体，设置于缸体内的活塞，安装在活塞两端的两个活塞杆，缸体两端的密封体和充填在缸体中的粘滞流体(见图1)。粘滞流体阻尼器的活塞上设有节流孔，当活塞与缸体产生相对运动时，粘滞流体从活塞一端通过节流孔流向另一端，进而产生与速度相关的粘滞阻尼力。已有粘滞阻尼器的节流孔主要是直通孔(如图2所示)，也就是，在活塞上沿其轴向设置1个或通透孔。

粘滞阻尼器主要安装在框架结构的层间。当结构在地震或风振作用下发生振动时，层间会产生相对变形，从而会引起粘滞阻尼器的活塞与缸体间产生相对运动，推动流体在节流孔之见来回流动，进而产生粘滞阻尼力。

阻尼力的速度指数m仅能通过选用具有不同幂律指数α的流体来调节。由于在额定工作状态下，用于粘滞阻尼器的绝大多数粘滞流体的幂律指数基本相同，均为0.5到0.6之间。因此，基于直通孔结构很难设计其它范围内的速度指数的粘滞流体阻尼器。这限制了粘滞阻尼器的性能设计范围。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，用于桥梁以及土木结构的耗能减振装置，本发明可以实现低速度指数的粘滞阻尼器的设计。在相近的情况下，速度指数越低，阻尼器的耗能能力也就越强。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞设置于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，活塞上开有多个平行于轴向的节流孔，节流孔内安装有通透的多孔结构材料，并且其多孔结构所形成的流道为弯曲的，粘滞流体能够从多孔结构材料中流入或流出。

本发明还具有如下特征：

1、另外一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞安装于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，所述的活塞上开有一个或多个大的直通孔，直通孔内装填一定数量的固体颗粒，直通孔两端用开有多个小孔的端盖封住，固体颗粒不能从端盖漏出，通过调整直通孔的横截面积与固体颗粒的体积与填充量来改变阻尼力及其速度指数。

2、如上所述的多孔结构材料为多孔陶瓷或多孔金属棒材。

3、如上所述的基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，通过调整容器和横截面积以及其装填的固体颗粒的体积和填充量，从而改变阻尼力及其速度指数。

本发明通过调整孔结构可以实现阻尼器速度指数的调节。这可以极大丰富阻尼器的本构关系，而使得可以设计的产品更加广泛。可以给框架结构提供较大的阻尼，大幅度地降低框架结构的位移和加速度反应，提高建筑物的抗震性能。

附图说明

图1为粘滞流体阻尼器结构示意图；

图2为粘滞阻尼器的节流孔为直通孔示意图；

图3为节流孔为多孔结构中流体在节流孔内的流线图；

图4为一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器的活塞示意图；

图5为活塞的直通孔内装填有一定数量的固体颗粒的示意图。

具体实施方式

实施例1

为了便于工程设计，粘滞阻尼器的阻尼力一般表示为下式

F＝cV^m    (1)

式中，F为阻尼器的阻尼力，c为粘滞系数，m为速度指数，V为活塞与缸体的相对运动速度。

已有粘滞阻尼器的节流孔主要是直通孔(如图2所示)，也就是，在活塞上沿其轴向设置1个或通透孔。

填充于缸体的液体的本构方程为

$\mathrm{\τ}=k{\stackrel{\·}{r}}^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式中τ为剪切应力，k为粘度系数，为剪切速率，α为幂律指数。

直通孔粘滞阻尼器的阻尼力可以简化表示为

F＝c(α，k，p)V^m    (3)式中，粘滞系数c(α，k，p)是流体的粘度系数k，流体幂律指数α以及直通孔结构参数(表征孔直径、长度、数量以及结构等)p的函数。阻尼力速度指数m与流体的幂律指数α相等。

公式(3)表明，通过选用具有不同粘度系数k和幂律指数α的粘滞流体以及调整孔的直径等结构来结构参数p，可以调整阻尼器阻尼力粘滞系数c的大小。

如图3所示，由于流道是弯弯曲曲的，与直通孔相比，流体在节流孔内的流线将更加复杂。由于孔喉效应，影响了流体的粘滞特性，因此所产生阻尼力的速度指数也与流体的幂律指数产生了差别。该类阻尼器的阻尼力可简单表示为。

F＝c(m，k)V^m(α，p)

式中，粘滞系数c(α，k，p)是流体的粘度系数k，流体幂律指数α以及直通孔结构参数(表征孔直径、长度、数量以及结构等)p的函数。阻尼力速度指数m不再等于流体的幂律指数α，而是幂律指数α与直通孔结构参数p的函数，在α固定的情况下，通过调整直通孔结构参数p也可以调整速度指数。也就是说，通过调整小孔的数量与形状就可以调整速度指数。由于孔喉效应，影响了流体的粘滞特性，因此所产生阻尼力的速度指数也与流体的幂律指数产生了差别。

实施例2

一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞安装于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，活塞上开有一个或多个平行于轴向的节流孔，节流孔内安装有通透的多孔结构材料，并且其多孔结构所形成的流道为弯曲的，粘滞流体能够从多孔结构材料中流入或流出。所述的多孔结构材料为多孔陶瓷或多孔金属棒材。如图3所示，本发明的节流孔为多孔结构，流体的流动通道并非直线而是弯弯曲曲的折线。

实施例3

如图4-5所示，一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞安装于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，所述的活塞上开有一个或多个大的直通孔，而后在直通孔内装填一定数量的固体颗粒，直通孔两端用开有多个小孔的端盖封住，固体颗粒不能从端盖漏出，通过调整直通孔的横截面积与固体颗粒的体积与填充量来改变阻尼力及其速度指数。

对于该结构，如果选用粘度系数130Ns/m²的硅油为粘滞流体，简化公式计算表明，阻尼器的速度指数如下表所示。该表表明，通过调整球床直径以及装填颗粒的直径，可以实现速度指数的大幅度调节。对于其它方式组成的多孔结构也具有类似的效应。

表1多孔粘滞阻尼器结构参数和速度指数

注：球床直径是指在活塞上预设的填充颗粒的大孔的直径。

一旦阻尼器的使用速度超过其预测最大速度以后，其阻尼力增长的幅度随速度指数的降低而降低。这样的好处是一旦阻尼器在使用过程中超过了最大速度(比如结构遇到了更大的地震)，这时阻尼器提供给结构的力比预期的增长幅度不大。这样不会因为阻尼力过大而造成与阻尼器相连的结构主体的破坏。有利于结构安全。

Claims (3)

1.一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，它包括缸体，缸体两端通过密封体密封，活塞设置于缸体内，活塞的两端分别安装有两个活塞杆，缸体中充填有粘滞流体，其特征在于：活塞上开有一个或多个平行于轴向的节流孔，节流孔内安装有通透的多孔结构材料，并且其多孔结构所形成的流道为弯曲的，粘滞流体能够从多孔结构材料中流入或流出；所述的活塞上或开有一个或多个大的直通孔，直通孔内装填一定数量的固体颗粒，直通孔两端用开有多个小孔的端盖封住，固体颗粒不能从端盖漏出。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，其特征在于：所述的多孔结构材料为多孔陶瓷或多孔金属棒材。

3.根据权利要求1所述的一种基于多孔节流的粘滞流体阻尼器，其特征在于：通过调整直通孔的横截面积以及其装填的固体颗粒的体积和填充量，从而改变阻尼力及其速度指数。