新型抗偏載變摩擦阻尼器力學(xué)特性研究

劉國勇 趙鵬鵬 賀國徽 朱冬梅

摘 ? 要：為提高傳統(tǒng)摩擦阻尼器的耗能能力及耗能穩(wěn)定性，提出并設(shè)計(jì)一種新型變摩擦阻尼器. 通過采用反向不連續(xù)斜坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與蝶形彈簧組合，新型變摩擦阻尼器能夠?qū)崿F(xiàn)變阻尼力輸出特性且有一定的抗偏載能力，在結(jié)構(gòu)中增加副摩擦板，可有效提高阻尼器耗能能力. 首先，通過建立理論模型分析阻尼器在不同工作階段的力學(xué)特性，并對各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對阻尼器的阻尼輸出特性影響進(jìn)行分析. 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工原理樣機(jī)并進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)研究. 最后，通過有限元方法對隔振器的抗偏載能力進(jìn)行驗(yàn)證. 結(jié)果表明：新型變摩擦阻尼器試驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合;滯回曲線呈“狗骨形”，即，可實(shí)現(xiàn)變阻尼力輸出特性;摩擦耗能能力與普通平板摩擦阻尼器相比可大幅度提高耗能能力;通過調(diào)整扭矩值可實(shí)現(xiàn)不同的阻尼特性輸出，以實(shí)現(xiàn)不同的隔振需求.分析結(jié)果表明，新型變摩擦阻尼器有一定的抗偏載能力.

關(guān)鍵詞：阻尼器;變摩擦;耗能能力;滯回曲線;穩(wěn)定性

中圖分類號：TB121;TB123 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Mechanical Characteristics of a

New Anti-eccentric Load Variable Friction Damper

LIU Guoyong1，ZHAO Pengpeng1，HE Guohui2，ZHU Dongmei1

（1. School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2. China Railway Construction Heavy Industry Co Ltd，Changsha 410100，China）

Abstract：A new type of variable friction damper is proposed and designed to improve the energy dissipation capacity and stability of the traditional friction damper. The new variable friction damper can achieve variable damping force output characteristics and have a certain anti-eccentric load capacity by adopting a reverse discontinuous slope structure design and a butterfly spring combination， and it can effectively improve the energy dissipation capacity of the damper， because the auxiliary friction plate is also added to the structure. Firstly， the mechanical characteristics of the damper in different working stages are analyzed by establishing a theoretical model， and the influence of various design parameters on the damping output characteristics of the damper is analyzed. Based on this， a prototype of the processing principle was designed and the mechanical characteristics were experimentally studied. Finally， the anti-eccentricity of the isolator was verified by the finite element method. The results show that the test results of the new variable friction damper are consistent with the theoretical analysis;the hysteresis curve is “dog-bone”，that is，the output characteristic of variable damping force can be achieved;compared with ordinary flat friction dampers，the frictional energy consumption can greatly improve the energy consumption capacity. Different damping characteristic outputs can be achieved to obtain different vibration isolation requirements by adjusting the value of the torque. The analysis results show that the new variable friction damper has a certain resistance to eccentric load.

Key words：damper;variable friction;energy dissipation;hysteresis curve;stability

地震作為一種破壞性極大且極具毀滅性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重危及人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全. 在地震中，建筑物及構(gòu)筑物等的破壞、倒塌是造成災(zāi)害和損失的根本原因. 為此，在工程實(shí)踐中采用抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為眾多學(xué)者和工程師長期研究的一個(gè)重要領(lǐng)域. 其中，摩擦阻尼器作為抗震結(jié)構(gòu)中的重要組成構(gòu)件，因其消能能力強(qiáng)、構(gòu)造簡單、取材容易、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景，特別是在中高層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)方面有獨(dú)特優(yōu)勢，因此具有重要的研究價(jià)值. 傳統(tǒng)摩擦阻尼器因其輸出阻尼力單一，摩擦耗能過程中由于螺栓預(yù)緊力的衰減導(dǎo)致輸出阻尼力不穩(wěn)定等原因，無法較好地滿足不同烈度地震載荷下的減震耗能需求. 為此，如何能夠有效提高摩擦阻尼器自適應(yīng)能力、抗偏載能力、耗能穩(wěn)定性及耗能能力成為土木工程和機(jī)械工程領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，許多學(xué)者和專家對此進(jìn)行了大量研究和探索[1].

為了使減震結(jié)構(gòu)具有復(fù)阻尼特性，彭凌云等[2]提出了一種板式變摩擦阻尼器，并通過理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和性能試驗(yàn)對其進(jìn)行研究，證明其滯回曲線具有明顯的復(fù)阻尼特性，但其等效彈性剛度受主要部件彈簧剛度影響較大. 張蓬勃等[3]為解決摩擦阻尼器阻尼力輸出單一的問題，提出了一種雙行程變阻尼力摩擦阻尼器，該阻尼器在小振幅階段以低阻尼力工作，在大振幅階段以高阻尼力工作，因其只能實(shí)現(xiàn)兩級摩擦力轉(zhuǎn)換，故使用范圍依然有限. 周錫元、彭凌云等[4-6]發(fā)明的筒式變摩擦阻尼器，該摩擦阻尼器在滑動(dòng)變形過程中，實(shí)際提供摩擦力的接觸面的面積隨阻尼器的變形而變化，而整個(gè)接觸面上的正壓力保持不變，可實(shí)現(xiàn)變摩擦效果. 李澈等[7]提出了“彈簧-坡面”變摩擦阻尼器，其通過彈簧和坡面的設(shè)置，使輸出阻尼力隨著軸線方向變形的增大而增大，由此來實(shí)現(xiàn)變摩擦阻尼力輸出. 王貢獻(xiàn)等[8]對新型弧面摩擦阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)其耗能能力相較于傳統(tǒng)摩擦阻尼器最多提高了23.84%. 郭子雄等[9]將普通板式摩擦阻尼器中副板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成槽型，讓滑動(dòng)主板嵌入副板槽中滑行，從而使阻尼器具有受偏載能力. Etedali等[10]在隔震結(jié)構(gòu)中安裝壓電摩擦阻尼器，該阻尼器采用半主動(dòng)控制法耗散地震能量，可以很容易地控制阻尼器的摩擦力. Mualla等[11-12]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)動(dòng)型摩擦阻尼裝置，可以消散和吸收輸入能量，通過試驗(yàn)研究得出使用由該摩擦阻尼器提供的補(bǔ)充阻尼可消耗結(jié)構(gòu)中的大量動(dòng)能. Samani等[13]介紹了一種稱為可調(diào)摩擦阻尼器（Adjustable Friction Damper，AFD）的半主動(dòng)摩擦阻尼器，這種阻尼器的夾緊力由液壓確保，不僅能降低制造成本，還能通過改變阻尼器的夾緊力來控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng). 任文杰等[14]研制了一種新型自位修復(fù)變摩擦阻尼器，試驗(yàn)證明：該自位修復(fù)變摩擦阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)，能夠隨著位移的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)摩擦力大小，加載過后能夠自動(dòng)復(fù)位. 鄒銀生等[15]基于pushover分析方法，提出粘滯阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)方法，選用一個(gè)12層混凝土框架結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了該方法. 陳云等[16]提出了一種新型耗能增強(qiáng)型SMA阻尼器，研究表明該阻尼器的滯回環(huán)非常飽滿，耗能能力強(qiáng)，大震下對結(jié)構(gòu)的位移和層間位移角控制效果顯著.

但以上針對摩擦阻尼器綜合性能包括自適應(yīng)能力、耗能穩(wěn)定性、耗能能力以及抗偏載能力的改進(jìn)和提升僅局限于其中部分功能的實(shí)現(xiàn)，對提高其整體性能的研究仍然較少. 為了提升摩擦阻尼器的綜合性能（包括變阻尼力輸出特性、抗偏載能力、耗能能力和耗能穩(wěn)定性），解決其輸出阻尼力單一、無法滿足不同地震烈度條件下進(jìn)行穩(wěn)定耗能的問題，劉國勇等[17]在現(xiàn)有摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)類型基礎(chǔ)上，提出、改進(jìn)并設(shè)計(jì)一種既能繼承傳統(tǒng)摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)簡單、耗能能力強(qiáng)、取材方便等優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有變摩擦阻尼器具有的變阻尼力、變剛度特性，還能承受偏載荷的新型摩擦阻尼器. 該新型摩擦阻尼器由于其獨(dú)特的隔振優(yōu)勢，使其可廣泛應(yīng)用于中高層建筑、大跨度橋梁、岸橋結(jié)構(gòu)和舊有建筑的加固改造環(huán)境中. 本文對本專利提出的新型變摩擦阻尼器利用解析方法、有限元方法和試驗(yàn)方法對其阻尼特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究. 相關(guān)研究成果對金屬變摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

1 ? 變摩擦阻尼器組成及機(jī)理

1.1 ? 結(jié)構(gòu)組成

本文所提出的新型變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)主要包括：芯板、固定斜坡板、滑動(dòng)斜坡板、主摩擦板、蝶形彈簧、高強(qiáng)度預(yù)緊螺栓螺母、副摩擦板、連接板、試驗(yàn)工裝及其他緊固連接件，如圖1所示. 其中，固定斜坡板、滑動(dòng)斜坡板、主摩擦板和副摩擦板均成對使用，并對稱安裝. 滑動(dòng)斜坡板與主摩擦板之間的接觸面為主摩擦耗能面;滑動(dòng)斜坡板與副摩擦板之間的接觸面為副摩擦耗能面.

以下進(jìn)一步對新型摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)及隔振機(jī)理進(jìn)行說明：

1）為了使阻尼器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在摩擦耗能過程中輸出變阻尼力特性，且能夠承受偏載荷作用，在固定斜坡板和滑動(dòng)斜坡板上分別設(shè)計(jì)了不連續(xù)、方向相反、相同坡比的對應(yīng)斜坡面，如圖2所示.

2）在固定斜坡板上增加了副摩擦板，以增強(qiáng)阻尼器整體耗能能力.

3）在固定斜坡板和滑動(dòng)斜坡板上分別開設(shè)凹凸結(jié)構(gòu)，以保證阻尼器在滑行至極限位移處時(shí)不與預(yù)緊螺栓桿壁發(fā)生碰撞，即實(shí)現(xiàn)雙向限位功能.

4）可根據(jù)新型變摩擦阻尼器所需要輸出的最大阻尼力大小來調(diào)整蝶形彈簧的使用個(gè)數(shù).

1.2 ? 工作原理

新型變摩擦阻尼器在工作過程中，可分為起滑階段、平面滑行階段和斜坡面滑行階段.

當(dāng)作用在阻尼器上的外載荷小于其整機(jī)結(jié)合面間的最大靜摩擦力時(shí)，阻尼器未起滑，阻尼器對周圍結(jié)構(gòu)起剛性支撐作用.

當(dāng)作用在阻尼器上的外載荷大于整機(jī)結(jié)合面間的最大靜摩擦力時(shí)，阻尼器起滑并進(jìn)入平直段滑行，輸出恒定摩擦阻尼力. 此時(shí)，主、副摩擦板同時(shí)處于耗能狀態(tài)，固定斜坡板與滑動(dòng)斜坡板之間的接觸面如圖3灰色部分區(qū)域.

當(dāng)作用在摩擦阻尼器上的外載荷繼續(xù)增大時(shí)，摩擦阻尼器經(jīng)平直段滑行一定距離后進(jìn)入斜坡面工作，由于斜坡面的楔形作用，滑動(dòng)斜坡板上的對應(yīng)斜坡面不斷擠壓并抬升固定斜坡板，促使蝶形彈簧進(jìn)一步壓縮，輸出阻尼力也隨之增大，此過程即可實(shí)現(xiàn)變阻尼力輸出特性. 值得注意的是，新型變摩擦阻尼器在受拉力或推力進(jìn)入斜坡面時(shí)，工作原理相同，只是作用斜坡面不同. 當(dāng)阻尼器受拉伸載荷進(jìn)入斜坡段時(shí)，接觸區(qū)域如圖4（a）灰色部分所示;同理，當(dāng)阻尼器受推力載荷進(jìn)入斜坡段時(shí)，其斜坡面接觸狀態(tài)如圖4（b）灰色部分所示，其余面均處于分離狀態(tài).

需要說明的是，由于采用反向不連續(xù)斜坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，固定滑動(dòng)板與斜坡滑動(dòng)板組裝后會產(chǎn)生橫向相互限位作用，即在整個(gè)工作過程中，滑動(dòng)斜坡板只能沿阻尼器軸向方向滑行，可以抵抗來自滑動(dòng)平面內(nèi)任意方向偏載荷作用.

2 ? 變摩擦阻尼器理論建模

為了得到摩擦阻尼器各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對其阻尼性能的影響規(guī)律，以便為變摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以下分別對隔振器典型受力狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析.

新型變摩擦阻尼器在運(yùn)動(dòng)時(shí)可分為起滑狀態(tài)、平直段滑行狀態(tài)、斜坡面加載狀態(tài)、斜坡面卸載狀態(tài). 其中在平直段滑行狀態(tài)輸出阻尼力為一定值，而在斜坡面加載及卸載狀態(tài)時(shí)輸出變阻尼力. 由于該結(jié)構(gòu)以芯板為中心兩側(cè)對稱安裝，故以單側(cè)為例，對阻尼器在運(yùn)動(dòng)各個(gè)階段的輸出阻尼力特性進(jìn)行分析. 以下分別就該阻尼器在四個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析并建立其本構(gòu)關(guān)系.

2.1 ? 起滑階段

摩擦阻尼器在起滑前處于靜平衡狀態(tài)，結(jié)合面間的摩擦力隨外部載荷的增大而增大，直至達(dá)到最大靜摩擦力值后開始起滑. 此時(shí)，阻尼力為：

Ff = k0 × x0 ? ? （1）

式中：x0為阻尼器結(jié)構(gòu)變形;k0為與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的剛度常數(shù).

2.2 ? 平直段滑行階段

平直段滑動(dòng)時(shí)，阻尼器受力狀態(tài)如圖5所示，物塊1表征等效固定斜坡板與副摩擦板組件，物塊2表征等效滑動(dòng)斜坡板，物塊3表征等效主摩擦板.

假定物塊1與墻體間無摩擦接觸，且在摩擦阻尼器中，實(shí)際摩擦面為兩個(gè)，因此，阻尼器輸出阻尼力恒定為（忽略自重影響）：

Ff = 2 × K1 × y0 × （μ1 + μ2） ? ? （2）

式中：K1為彈簧剛度;y0為彈簧預(yù)壓縮量;μ1為固定斜坡板中副摩擦板與滑動(dòng)斜坡板間滑動(dòng)摩擦系數(shù);μ2為滑動(dòng)斜坡板與主摩擦板間滑動(dòng)摩擦系數(shù).

2.3 ? 斜坡面加載階段

在斜坡面滑行時(shí)，新型變摩擦阻尼器開始輸出變阻尼力，其受力狀態(tài)如圖6所示，由于滑動(dòng)部件自重遠(yuǎn)小于其出力值，故忽略阻尼器滑動(dòng)部件自重的影響. 此時(shí)，輸出阻尼力為：

Ff，加載=K1（x1tan θ+y0）×■

（3）

式中：μ3為固定斜坡板與滑動(dòng)斜坡板斜坡面間滑動(dòng)摩擦系數(shù);θ為固定斜坡板和滑動(dòng)斜坡板斜坡面斜坡角;x1為滑動(dòng)斜坡板軸向滑行量;y0為彈簧預(yù)壓縮量.

2.4 ? 斜坡面卸載階段

斜坡段卸載時(shí)，新型變摩擦阻尼器受力狀態(tài)與加載時(shí)相似，其受力分析狀態(tài)如7所示，斜坡面卸載階段輸出阻尼力為：

3 ? 影響參數(shù)分析

由于變摩擦阻尼器在起滑段和平直段力學(xué)關(guān)系式較為簡單，因此不再做影響參數(shù)分析. 由式（3）和式（4）可知，影響阻尼力在加載段及卸載段輸出的參數(shù)主要有μ2、 μ3、θ及K1，由式（3）、式（4）可以看出K1與輸出阻尼力呈線性關(guān)系，因此不再做影響分析. 分別就其他3個(gè)參數(shù)對兩種不同受力狀態(tài)下的輸出阻尼力的影響進(jìn)行分析.

3.1 ? 加載段影響參數(shù)分析

為了得到各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對阻尼器輸出阻尼力的影響規(guī)律，暫定參數(shù)μ2 = 0.3、 μ3 = 0.3、θ = 3°（實(shí)際設(shè)計(jì)值約為3°）、K1 = 7 000 kN/m、y0 = 0.002 m，以該設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，由式（3）可畫出不同參數(shù)下輸出阻尼力變化曲線圖，如圖8～圖10所示.

由圖8～圖10可以看出，在加載段，隨著位移的增大，輸出阻尼力均增大，其中隨著μ2、 μ3增大，輸出阻尼力與滑動(dòng)位移基本呈線性增大的規(guī)律;而對于斜坡角θ，隨著θ增大，輸出阻尼力不僅增大，而且增長率明顯增大，說明，斜坡角θ對阻尼力的輸出影響較大，可通過調(diào)節(jié)傾角以滿足不同的阻尼力輸出需求.

3.2 ? 卸載段影響參數(shù)分析

由式（4）可畫出不同參數(shù)下輸出阻尼力變化曲線圖，如圖11～圖13所示.

由圖11～圖13可以看出，在加載段，隨著位移的增大，輸出阻尼力均增大，其中隨著μ2、 μ3增大，輸出阻尼力基本呈線性增大的規(guī)律;而對于θ，隨著θ增大，輸出阻尼力增大，同時(shí)輸出阻尼力曲線的斜率呈現(xiàn)減小的趨勢.

4 ? 試驗(yàn)研究

4.1 ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建解析模型的正確性，設(shè)計(jì)加工試驗(yàn)件并進(jìn)行試驗(yàn). 加工的試驗(yàn)件如圖14所示，其中整體尺寸為365 mm×174 mm×52 mm（長×寬×厚）;預(yù)緊螺栓：高強(qiáng)度螺栓10.9級6個(gè)，表面鍍鋅處理;摩擦面數(shù)量：單側(cè)主、副摩擦面為2個(gè)，斜坡接觸摩擦面為3個(gè);單向最大行程：9 mm（平滑段5 mm、坡面段4 mm）;摩擦系數(shù)：鋼—黃銅0.19;鋼—鋼0.15;碟簧選擇：25 mm × 12.5 mm × 1.5 mm，最大出力為 ?2 910 N，最大變形0.41 mm;碟簧布置：雙側(cè)放置、同向疊加;坡面結(jié)構(gòu)尺寸：平面段尺寸為101 mm，斜坡段尺寸為80 mm，坡比為1 ∶ 20.

試驗(yàn)狀態(tài)如圖15所示，本次試驗(yàn)采用10 t MTS—810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，用WSC3～030數(shù)顯扭力矩扳手精確控制預(yù)緊螺栓擰緊力矩值. 阻尼器上下端面連接軸分別與MTS—810電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上下夾緊卡盤相連，試驗(yàn)過程中，上卡盤固定，下卡盤動(dòng)作.

采用位移控制方式進(jìn)行單次往復(fù)試驗(yàn)，在加載頻率為0.05 Hz、加載位移幅值±9 mm、預(yù)緊螺栓擰緊力矩為7 N·m條件下，新型變摩擦阻尼器滯回曲線如圖16所示. 同時(shí)令K1 = 6.5 × 106 N/m，μ1 = 0.19，μ2 = 0.19，μ3 = 0.15，y0 = 2 mm，tan θ = 0.05，位移幅值±9 mm，利用解析方法給出了平板摩擦阻尼器和新型變摩擦阻尼器的滯回特性曲線. 需要說明的是平板摩擦阻尼器其受力狀態(tài)與新型斜坡摩擦阻尼器在平直段的受力狀態(tài)完全一致，因此利用式（2）即可畫出平板摩擦阻尼器的滯回特性曲線. 由于兩種摩擦阻尼器在平直段受力狀態(tài)及輸出阻尼力基本相同，因此在試驗(yàn)中僅對加載及卸載段所得解析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對平直段所得解析結(jié)果不再贅述.

由圖16可以看出，阻尼器在平直段滑動(dòng)時(shí)，出力穩(wěn)定，性能良好;由平直段進(jìn)入斜坡段或由斜坡段返回平直段時(shí)，滯回曲線中出現(xiàn)明顯圓弧曲線過渡，且過渡曲線平滑，無突變現(xiàn)象存在，證明阻尼器斜坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，新型變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在斜坡段變摩擦阻尼力輸出特性，即進(jìn)入斜坡段后，阻尼器開始輸出變摩擦阻尼力. 如圖16所示，在圖中可以看出，解析所得結(jié)果與試驗(yàn)所得結(jié)果在加載段及卸載段基本一致，證明解析所得結(jié)果規(guī)律正確有效，對變摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義.

以耗能能力作為評價(jià)摩擦阻尼器性能指標(biāo)，圖16中每次循環(huán)所形成的滯回曲線圍成的面積即為該次循環(huán)過程中的耗能值. 圖16中，“狗骨形”滯回曲線的面積為417.56 N·m，兩條虛線中間部分面積表示相應(yīng)結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)平板摩擦阻尼器的耗能能力，其面積為317.69 N·m. 相比較于傳統(tǒng)平板摩擦阻尼器，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)下，新型變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)的耗能能力得到明顯提高. 證明該阻尼器實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)目標(biāo)，即在相同參數(shù)情況下顯著提高了耗能能力.

4.2 ? 不同扭矩值對阻尼性能的影響

對于變摩擦阻尼器而言，解析模型所得參數(shù)變化對阻尼性能的影響規(guī)律對變摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義. 但是，在結(jié)構(gòu)參數(shù)已定的情況下，只能通過調(diào)整不同的扭矩值，來實(shí)現(xiàn)不同的隔振需求，為了得到不同扭矩對變摩擦阻尼器阻尼性能的影響規(guī)律，以下分別在不同扭矩下進(jìn)行試驗(yàn).

新型變摩擦阻尼器在相同加載頻率、相同滑行位移、不同扭矩值條件下，滯回曲線如圖17所示.

由圖17可以看出，隨著扭矩值的增大，新型變摩擦阻尼器輸出阻尼力值隨之增大，耗能能力明顯增強(qiáng). 值得注意的是，滯回曲線面積（即耗能能力）增幅梯度較大. 由此可知，可通過靈活調(diào)整扭矩值對新型變摩擦阻尼器的阻尼性能進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的實(shí)際隔振情況.

為了進(jìn)一步分析新型摩擦阻尼器在不同扭矩值下的剛度變化特性，不同扭矩值下的轉(zhuǎn)向剛度和初始剛度如圖18所示. 其中初始剛度表征的是摩擦阻尼器在起滑段的剛度，轉(zhuǎn)向剛度表征的是加載段向卸載段過渡時(shí)的剛度.

不同扭矩值作用下，阻尼器初始剛度值變化很小，如圖18所示，其起滑力斜線基本重合，由此可知，扭矩值大小對阻尼器初始剛度值影響很小. 同時(shí)，可以看出扭矩值對轉(zhuǎn)向剛度有一定的影響，即隨著扭矩值的增大，其轉(zhuǎn)向剛度在減小. 因此，在使用該阻尼器時(shí)，可以根據(jù)不同的隔振目標(biāo)，合理調(diào)整扭矩值，以滿足不同的隔振需求.

5 ? 抗偏載能力分析

摩擦阻尼器在工作時(shí)，受力環(huán)境較為復(fù)雜，且不可避免地會受到不同方向偏載荷作用. 當(dāng)摩擦阻尼器受偏載荷作用滑動(dòng)時(shí)，由于螺栓桿與滑行槽之間存在間隙，滑動(dòng)板會發(fā)生不同程度轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致阻尼器正常接觸耗能面面積發(fā)生改變，可能會導(dǎo)致預(yù)緊螺栓桿與滑動(dòng)板上滑行槽壁擠壓接觸，從而加速螺栓預(yù)緊力衰減，這兩種情況均會導(dǎo)致阻尼器耗能穩(wěn)定性降低. 為了避免以上情況的發(fā)生，提高其自適應(yīng)環(huán)境的能力，對阻尼器抗偏載能力改進(jìn)和提升的研究工作具有重要意義. 因此本文提出了一種新型變摩擦阻尼器，該阻尼器采用反向不連續(xù)斜坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可抵抗來自滑動(dòng)平面內(nèi)任意方向偏載荷作用.

為了驗(yàn)證新型變摩擦阻尼器的抗偏載能力，以下將建立與試驗(yàn)等效的有限元模型進(jìn)行分析. 為了提高計(jì)算效率，在不影響有限元軟件仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對仿真實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，具體簡化內(nèi)容為：用圓孔代替螺紋孔;實(shí)物固定斜坡板、滑動(dòng)斜坡板和芯板的翻邊采用焊接方式連接，仿真分析時(shí)采用一體化建模. 通過Ansys Workbench建立的有限元模型如圖19所示，各部分連接關(guān)系如表1所示.

根據(jù)自適應(yīng)變摩擦阻尼器試驗(yàn)時(shí)安裝條件要求，阻尼器結(jié)構(gòu)一端固定，另一端加載來模擬在地震等載荷作用下摩擦耗能的運(yùn)動(dòng)過程. 與芯板一端連接的工裝連接軸端面固定約束，各螺栓通過施加螺栓預(yù)緊力來控制阻尼器結(jié)構(gòu)所需預(yù)緊力;與滑動(dòng)斜坡板一端連接的工裝連接軸端面X方向施加位移載荷的同時(shí)在Z方向施加力載荷，需要說明的是，該處是為了模擬新型變摩擦阻尼器在受偏載下的工作狀態(tài)，因此僅做了摩擦阻尼器在起滑狀態(tài)的仿真分析. 在該工況下所得力-位移曲線和變形云圖如圖20和圖21所示.

由圖20可見，阻尼器在平直段滑動(dòng)時(shí)，出力穩(wěn)定，性能良好，由此可見在該狀態(tài)下，新型變摩擦阻尼器處于穩(wěn)定工作狀態(tài). 由圖21可見，新型摩擦阻尼器在Z方向僅在施加力的作用點(diǎn)處有變形，而在其他部位基本無變形，即新型摩擦阻尼器在Z方向無相對運(yùn)動(dòng). 綜上所述，說明在Z方向施加的力載荷并未影響新型摩擦阻尼器的工作狀態(tài)，即新型摩擦阻尼器有一定的抗偏載能力.

6 ? 結(jié) ? 論

本文通過理論分析和試驗(yàn)方法，對新型變摩擦阻尼器原理樣機(jī)的力學(xué)性能和綜合性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）通過理論分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著滑動(dòng)斜坡板與主摩擦板間滑動(dòng)摩擦系數(shù)和固定斜坡板與滑動(dòng)斜坡板斜坡面間滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增大，輸出阻尼力基本呈線性增大的規(guī)律;斜坡傾角對新型變摩擦阻尼器的阻尼性能影響較為明顯，可通過調(diào)節(jié)傾角以滿足不同的阻尼力輸出需求.

2）新型變摩擦阻尼器滯回曲線呈現(xiàn)兩頭偏大、中間平滑的“狗骨”形狀，可實(shí)現(xiàn)變阻尼力輸出特性，試驗(yàn)曲線與理論分析結(jié)果一致;與普通平板摩擦阻尼器相比，在相同條件下，新型變摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)的耗能能力得到大幅度提升.

3）通過施加不同扭矩值發(fā)現(xiàn)，阻尼器初始剛度基本不變，轉(zhuǎn)向剛度隨扭矩值的增大而減小，扭矩值小量等幅增大時(shí)耗能能力可大幅提高，可通過施加不同的扭矩值以滿足不同的阻尼力輸出需求.

4）有限元分析結(jié)果表明，新型變摩擦阻尼器有一定的抗偏載能力.

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?MIRTAHERI M，ZANDI A P，SAMADI S S，et al. Numerical and experimental study of hysteretic behavior of cylindrical friction dampers[J].Engineering Structures，2011，33（12）：3647—3656.

[2] ? ?彭凌云，常健，蘇經(jīng)宇，等. 具有復(fù)阻尼特征板式變摩擦阻尼器滯回性能研究[J]. 振動(dòng)與沖擊，2017，36（18）：189—195.

PENG L Y，CHANG J，SU J Y，et al. Hysteresis performance of a plate type of variable friction damper with complex damping characteristics[J]. Journal of Vibration and Shock，2017，36（18）：189—195. （In Chinese）

[3] ? ?張蓬勃，潘毅，趙世春，等. 雙行程可變阻尼力摩擦阻尼器的特性[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，46（6）：946—952.

ZHANG P B，PAN Y，ZHAO S C，et al. Hysteresis characteristics of shear friction damper with two resistances and displacements[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2011，46（6）：946—952.（In Chinese）

[4] ? ?周錫元，彭凌云，閆維明. 筒式變摩擦阻尼器： CN101216088 [P]. 2008-07-09.

ZHOU X Y，PENG L Y，YAN W M. Cartridge variable friction damper：CN101216088 [P]. ?2008-07-09. （In Chinese）

[5] ? ?彭凌云，周錫元，閆維明. 管式變摩擦阻尼器的減振性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 振動(dòng)與沖擊，2012，31（5）：12—16.

PENG L Y，ZHOU X Y，YAN W M. Test and numerical simulation for performance of a tubular type of variable friction damper[J]. Journal of Vibration and Shock，2012，31（5）：12—16. （In Chinese）

[6] ? ?彭凌云. 向心式摩擦阻尼器的理論分析及應(yīng)用研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004：10—20.

PENG L Y. Theoretic analysis and application research on energy dissipating restraint[D]. Beijing：Beijing University of Technology，2004：10—20. （In Chinese）

[7] ? ?李澈，薛彥濤. “彈簧-坡面”變摩擦阻尼器性能試驗(yàn)與分析[J].建筑科學(xué)，2013，29（3）：34—39.

LI C，XUE Y T. Experiment and analysis on the performance of “spring-slope” variable friction dampers[J]. Building Science，2013，29（3）：34—39. （In Chinese）

[8] ? ?王貢獻(xiàn)，王洋洋，袁建明，等. 新型弧面摩擦阻尼器力學(xué)性能研究[J]. 中國機(jī)械工程，2016，27（11）：1429—1433.

WANG G X，WANG Y Y，YUAN J M，et al. Research on mechanics performance of a new cambered friction damper[J]. China Mechanical Engineering，2016，27（11）：1429—1433. （In Chinese）

[9] ? ?郭子雄，張鵬，黃群賢，等. 長孔螺栓板式摩擦耗能器滯回性能試驗(yàn)研究[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（4）：622—628.

GUO Z X，ZHANG P，HUANG Q X，et al. Experimental research on hysteretic behavior of slotted-bolted-plate friction damper device[J]. Journal of Fuzhou University （Natural Science Edition），2013，41（4）：622—628. （In Chinese）

[10] ?ETEDALI S，SOHRABI M R，TAVAKOLI S. Optimal PD/PID control of smart base isolated buildings equipped with piezoelectric friction dampers[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2013，12（1）：39—54.

[11] ?MUALLA I H. Experimental evaluation of new friction damper device[C]// 12th World Conference on Earthquake Engineering. Auckland：Thermo Fisher Scientific，2000：（1048）1—7.

[12] ?MUALLA I H，BELEV B. Performance of steel frames with a new friction damper device under earthquake excitation[J]. Engineering Structures，2002，24（3）：365—371.

[13] ?SAMANI H R，MIRTAHERI M，ZANDI A P. Experimental and numerical study of a new adjustable frictional damper[J]. Journal of Constructional Steel Research，2015，112：354—362.

[14] ?任文杰，牛杰，何小林. 新型自復(fù)位變摩擦阻尼器力學(xué)性能研究[J]. 工程抗震與加固改造，2017，39（2）：136—142.

REN W J，NIU J，HE X L. Investigation on mechanical behavior of new-type self-recovering variable friction damper[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting，2017，39（2）：136—142. （In Chinese）

[15] ?鄒銀生，陳敏，馮承輝.粘滯阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，32（6）：1—5.

ZOU Y S，CHEN M，F(xiàn)ENG C H. Simplified design method for energy dissipation systems using viscous dampers[J]. Journal of Hunan University （Natural Science），2005，32（6）：1—5. （In Chinese）

[16] ?陳云，呂西林，蔣歡軍. 新型耗能增強(qiáng)型形狀記憶合金阻尼器減震性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（2）：31—38.

CHEN Y，L?X L，JIANG H J. Seismic performance study on new enhanced energy dissipation SMA damper[J]. ?Journal of Hunan University （Natural Sciences），2013，40（2）：31—38. （In Chinese）

[17] ?劉國勇，賀國徽，侯永濤. 一種自適應(yīng)變摩擦阻尼裝置及自適應(yīng)變摩擦阻尼方法：CN110593429A[P]. 2019-12-20.

LIU G Y，HE G H，HOU Y T. Self-adaptive variable friction damping device and self-adaptive variable friction damping method：CN110593429A[P]. 2019-12-20. （In Chinese）

收稿日期：2020-04-19

基金項(xiàng)目：公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)裝備重點(diǎn)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2018YFC0810500），Public Safety Risk Prevention and Control and Emergency Technical Equipment Key Project（2018YFC0810500）;國家留學(xué)基金委資助項(xiàng)目（201806465019），China Scholarship Council（201806465019）

作者簡介：劉國勇（1969—），男，湖北宜城人，北京科技大學(xué)副教授，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：gy_liu666@ustb.edu.cn