CN206477463U - 针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置 - Google Patents

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焦常科
伍小平
严再春
李鑫奎
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Abstract

本实用新型提供一种针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，包括长度相同的第一刚性连杆和第二刚性连杆，所述第一刚性连杆和第二刚性连杆的一端铰接，定义为主动位移点，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器的两端铰接，分别定义为第一被动位移点和第二被动位移点，所述主动位移点的位移带动所述第一被动位移点和第二被动位移点的速度和位移变化，所述第一被动位移点和第二被动位移点在垂直于主动位移点方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器耗能。

Description

针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置
技术领域
本实用新型涉及减震装置领域，特别涉及一种针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置。
背景技术
粘滞流体阻尼器是一种速度型阻尼器，内部设有粘滞液体和带孔活塞(或其他等效措施)，当粘滞流体阻尼器两端出现相对速度变化时，粘滞液体无法快速通过带孔活塞而产生阻尼力。粘滞流体阻尼器的阻尼力F与端部相对速度v的关系如式(1)所示，对应曲线如附图1所示；粘滞流体阻尼器的滞回曲线如附图2所示。由附图1和2可见，粘滞流体阻尼器端部相对位移愈大，一个滞回环耗能越多；端部相对速度越大，粘滞流体阻尼器输出的阻尼力越大。
F＝sgn(v)C|v|α (1)
式中，F为输出阻尼力(单位：kN)、sgn(●)为符号函数、C为阻尼系数(单位：kN/(m/s)α)、v为相对速度(单位：m/s)、α为阻尼指数，α＝1.0时为线性粘滞流体阻尼器；0<α<1.0时为非线性粘滞流体阻尼器；工程中用于减震控制的非线性粘滞流体阻尼器的阻尼指数范围一般为α∈[0.2,0.6]。
粘滞流体阻尼器在阻尼系数和阻尼指数一定的情况下，端部相对速度越大，阻尼输出力愈大；端部相对位移越大，滞回耗能效果越好。国内外学者提出过多种针对粘滞流体阻尼器的肘节式耗能支撑。Ribakov(2003)提出了一种针对FVD的机械杠杆措施，用于放大层间位移和速度，提高FVD耗能效果。Constantinou(2001)提出了肘节式耗能支撑体系(Toggle-Brace-Damper Systems)的概念，并通过设置合理的几何参数，可使原相对位移放大f倍，以获取更好的耗能效果。Hwang(2005)给出了肘节式耗能支撑体系几何体系与位移放大系数的确定流程。Huang(2009)针对肘节式耗能支撑建立了考虑肘节式支撑刚度影响的数学模型。三种肘节式支撑分别为：(1)肘节上部耗能支撑、(2)肘节下部耗能支撑、(3)有受弯杆件的反肘节上部耗能支撑，分别如图3、图4和图5所示，各自的放大系数f1、f2、f3分别如式(2a)、式(2b)和式(2c)所示。
显然，把粘滞流体阻尼器布置在层间相对变形速度较大处，可提高其耗能效果，减小结构地震响应。恰当的机构措施对原相对变形放大后，能更进一步提高粘滞阻尼器的耗能效果。
实用新型内容
本实用新型提供一种针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，以提高粘滞流体阻尼器的耗能效果。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，包括长度相同的第一刚性连杆和第二刚性连杆，所述第一刚性连杆和第二刚性连杆的一端铰接，定义为主动位移点，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器的两端铰接，分别定义为第一被动位移点和第二被动位移点，所述主动位移点的位移带动所述第一被动位移点和第二被动位移点的速度和位移变化，所述第一被动位移点和第二被动位移点在垂直于主动位移点方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器耗能。
较佳地，所述第一刚性连杆、第二刚性连杆以及粘滞流体阻尼器组成等腰三角形。
较佳地，所述第一被动位移点和第二被动位移点处分别设有第一限位滑槽和第二限位滑槽，所述主动位移点沿所述粘滞流体阻尼器的中垂线方向移动，所述第一被动位移点和第二被动位移点在所述第一限位滑槽和第二限位滑槽内的可移动方向为：沿所述粘滞流体阻尼器的长度方向移动。
与现有技术相比，本实用新型提供的针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，包括长度相同的第一刚性连杆和第二刚性连杆，所述第一刚性连杆和第二刚性连杆的一端铰接，定义为主动位移点，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器的两端铰接，分别定义为第一被动位移点和第二被动位移点，所述主动位移点的位移带动所述第一被动位移点和第二被动位移点的速度和位移变化，所述第一被动位移点和第二被动位移点在垂直于主动位移点方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器耗能。本实用新型中可将主动位移点发生的位移和速度放大成第一被动位移点和第二被动位移点之间的相对位移和相对速度，提高粘滞流体阻尼器的阻尼力输出峰值和峰值位移，进而提高粘滞流体阻尼器的耗能效果。
附图说明
图1为粘滞流体阻尼器的速度-阻尼力关系曲线；
图2为不同速度指数下粘滞流体阻尼器的滞回曲线；
图3至5分别为三种肘节式支撑的示意图；
图6为本实用新型一具体实施方式中针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置的结构分析图；
图7为本实用新型一具体实施方式中针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置中λ和γ对位移放大系数的影响图；
图8为本实用新型一具体实施方式中针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置中λ和γ对速度放大系数的影响图；
图9为谐波位移下的水平位移和垂直位移时程；
图10为谐波位移下的水平速度和垂直速度时程；
图11为谐波位移下的水平位移和垂直位移的滞回曲线对比图。
图中：1-第一刚性连杆、2-第二刚性连杆、3-粘滞流体阻尼器、4-第一限位滑槽、5-第二限位滑槽。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本实用新型附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
本实用新型提供的针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，如图6所示，包括长度相同的第一刚性连杆1和第二刚性连杆2，所述第一刚性连杆1和第二刚性连杆2的一端铰接，定义为主动位移点A，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器3的两端铰接，分别定义为第一被动位移点B和第二被动位移点C，所述主动位移点A的位移带动所述第一被动位移点B和第二被动位移点C的速度和位移变化，所述第一被动位移点B和第二被动位移点C在垂直于主动位移点A方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器3耗能，也就是将图中X方向的位移变化转换为Y方向上的耗能。本实用新型中可将主动位移点A发生的位移和速度放大成第一被动位移点B和第二被动位移点C之间的相对位移和相对速度，从而提高粘滞流体阻尼器3的阻尼力输出峰值和峰值位移，进而提高粘滞流体阻尼器3的耗能效果。
较佳地，请继续参考图6，所述第一刚性连杆1、第二刚性连杆2以及粘滞流体阻尼器3组成等腰三角形，具体地，所述第一被动位移点B和第二被动位移点C处分别设有第一限位滑槽4和第二限位滑槽5，所述主动位移点A沿所述粘滞流体阻尼器3的中垂线方向移动，所述第一被动位移点B和第二被动位移点C在所述第一限位滑槽4和第二限位滑槽5内的可移动方向为：沿所述粘滞流体阻尼器3的长度方向移动。则，A点仅可发生水平方向的位移至A’点，发生水平位移u1，B点和C点仅可发生垂直方向的位移至B’和C’点，值均为u2。故BC点垂直方向相对位移为2u2。建立如图6所示的XOY坐标系，其中水平方向为X向，垂向为Y向，则A、A’、C、C’点坐标分别为(-b,0)，(x,0)，(0,h)，(0,y)；b和h分别为第一刚性连杆1或第二刚性连杆2的水平投影和垂直投影长度。
在XOY坐标系内，几何约束方程如式(3a)所示；A、C点发生的位移u1和u2分别如式(3b)和(3c)所示。
|A'C'|2＝(x+b)2+(y-h)2＝b2+h2＝|AC|2 (3a)
u1＝x+b (3b)
u2＝y-h (3c)
根据式(3)可得：
于是，B和C点的速度：
故BC点的相对位移和相对速度分别如式(5a)和式(5b)所示。
设置适合的b和h参数，给定A点水平位移u1的范围，可以获得较大垂直方向位移u2。当一个粘滞流体阻尼器3两端分别与B和C点铰接时，粘滞流体阻尼器3的端部相对位移为2u2。位移放大倍数βd和速度放大倍数βv分别如式(6a)和(6b)所示。
其中，式(6a)中，u1＝0时，βd为0。
假定λ＝h/b，γ＝u1/b则式(6)可改写成式(7)。βd和βv与参数λ和γ关系的三维显示如图7和图8所示。可见：(1)λ越小，位移和速度放大系数越明显；(2)λ不变的情况下，γ<0时的位移和速度放大系数大于γ>0时的放大倍数；(3)λ和γ同时取极值时，βv均会出现峰值。
假定A点水平位移时程tu1＝f(t)，对于可进行傅立叶展开的位移时程，可近似为大量的谐波合成，如式(8)所示。根据不同频率成分的谐波结果进行叠加以获得整体结果。
具体地，假定几何参数b和h分别为3m和2m。A点的水平位移时程为谐波u1＝0.3cos(πt)。此时，A点水平向位移时程u1，B和C点的相对竖向位移时程2u2曲线对比如图9所示；B和C点的相对竖向位移时程最大幅值区间约为A点水平向位移时程最大幅值区间的3.123倍(即(1.095+0.7789)/0.6＝3.123)。速度时程如图10所示，B和C点的相对竖向速度时程最大幅值区间约为A点水平向速度时程最大幅值区间的3.176倍(即2.992/0.942＝3.176)。可见，经该实用新型提供的放大装置的转化后，可有效对A点的水平速度和位移进行放大至B、C点间垂直向的相对速度和位移。一个周圈内，u1和2u2时程下对应的粘滞流体阻尼器滞回曲线分别为F1和F2，如图11所示，可见，B、C点间垂直向布置的粘滞流体阻尼器3耗能效果明显好于A点水平方向布置粘滞流体阻尼器。
综上所述，本实用新型提供的针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，包括长度相同的第一刚性连杆1和第二刚性连杆2，所述第一刚性连杆1和第二刚性连杆2的一端铰接，定义为主动位移点，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器3的两端铰接，分别定义为第一被动位移点和第二被动位移点，所述主动位移点的位移带动所述第一被动位移点和第二被动位移点的速度和位移变化，所述第一被动位移点和第二被动位移点在垂直于主动位移点方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器耗能3。本实用新型中可将主动位移点发生的位移和速度放大成第一被动位移点和第二被动位移点之间的相对位移和相对速度，提高粘滞流体阻尼器3的阻尼力输出峰值和峰值位移，进而提高粘滞流体阻尼器3的耗能效果。
显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，其特征在于，包括长度相同的第一刚性连杆(1)和第二刚性连杆(2)，所述第一刚性连杆(1)和第二刚性连杆(2)的一端铰接，定义为主动位移点，二者的自由端分别与粘滞流体阻尼器(3)的两端铰接，分别定义为第一被动位移点和第二被动位移点，所述主动位移点的位移带动所述第一被动位移点和第二被动位移点的速度和位移变化，所述第一被动位移点和第二被动位移点在垂直于主动位移点方向上的相对速度和相对位移驱动粘滞流体阻尼器(3)耗能。
2.如权利要求1所述的针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，其特征在于，所述第一刚性连杆(1)、第二刚性连杆(2)以及粘滞流体阻尼器(3)组成等腰三角形。
3.如权利要求1所述的针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置，其特征在于，所述第一被动位移点和第二被动位移点处分别设有第一限位滑槽(4)和第二限位滑槽(5)，所述主动位移点沿所述粘滞流体阻尼器(3)的中垂线方向移动，所述第一被动位移点和第二被动位移点在所述第一限位滑槽(4)和第二限位滑槽(5)内的可移动方向为：沿所述粘滞流体阻尼器(3)的长度方向移动。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106760017A (zh) * 2016-12-30 2017-05-31 上海建工集团股份有限公司 针对粘滞流体阻尼器的速度和位移放大装置
CN110306423A (zh) * 2019-06-28 2019-10-08 中铁大桥科学研究院有限公司 一种桥梁用的阻尼器放大装置

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