一種新型非對稱摩擦阻尼器力學(xué)性能研究

方 鑫, 李夢如, 袁苗苗, 朱華年, 盧文勝

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

結(jié)構(gòu)抗震的傳統(tǒng)方法在于提升結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和變形能力,但由于地震與風(fēng)作用及結(jié)構(gòu)特征的不確定性,僅考慮提升結(jié)構(gòu)抵抗力和變形能力可能并不經(jīng)濟(jì),而通過增加結(jié)構(gòu)阻尼以耗散地震與風(fēng)作用能量、減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和破壞是更合理的技術(shù)方向。近幾十年來,結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)研究發(fā)展中,許多減震(振)耗能技術(shù)被研發(fā)并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程[1-3],其中阻尼器是一類非常有效的減震(振)元件,根據(jù)不同的阻尼機(jī)制耗散所輸入的能量,從而有效降低結(jié)構(gòu)在地震及風(fēng)作用下的反應(yīng)。

黏滯阻尼器、摩擦阻尼器及金屬阻尼器等常見的阻尼器[4]在外力或者位移作用下常保持力學(xué)性能的對稱性。因此,文獻(xiàn)[5]嘗試將阻尼器有效地應(yīng)用于某些雙向異性構(gòu)件;文獻(xiàn)[6]研發(fā)了非對稱黏滯阻尼器，并對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)及分析;文獻(xiàn)[7]提出以耗能鋼片與釋壓裝置組成的無壓力支撐系統(tǒng),在鋼框架試驗(yàn)中展現(xiàn)了良好的耗能與恢復(fù)性;文獻(xiàn)[8-9]提出一種僅提供拉力的金屬屈服耗能裝置用于搖擺墻和支撐等構(gòu)件,并對該裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)及參數(shù)分析,表明可作為附加阻尼裝置為系統(tǒng)提供更好的耗能能力。

考慮到柔性結(jié)構(gòu)具有長周期、低速度和大位移等特征,本文研發(fā)一種新型非對稱摩擦阻尼器,其受拉與受壓2個方向力學(xué)性能不同,建立簡化力學(xué)模型,并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的力學(xué)模型能較好地模擬其非對稱力學(xué)性能。

1 新型非對稱摩擦阻尼器力學(xué)模型

摩擦阻尼器一般通過滑動部件之間的摩擦將動能轉(zhuǎn)化為熱能來耗散能量[10]。作為一種類位移型阻尼器,摩擦阻尼器通常用非線性的力-位移模型來描述其力學(xué)性能[11],常見有剛塑性模型和彈塑性模型[12]?？紤]將其應(yīng)用于具有雙向異性受力特征的構(gòu)件(如柔性拉桿或支撐),其拉伸屈服與回縮屈曲或松弛性能不同,這就需要設(shè)法使該類型阻尼器的2個方向具有非對稱性能,本文將其定義為“非對稱摩擦阻尼器”,類似于機(jī)械工程中使用的單向減震器[13]。

新型非對稱摩擦阻尼器是基于摩擦板間相對滑動的摩擦機(jī)理,但設(shè)置了具有非對稱力學(xué)性能的構(gòu)造而產(chǎn)生的。采用棘輪這一間歇性機(jī)構(gòu),可使阻尼器在一個方向運(yùn)動時,棘輪能夠傳遞運(yùn)動,可產(chǎn)生阻尼力;而在相反方向運(yùn)動時,棘輪空轉(zhuǎn)無法傳遞運(yùn)動,基本上不產(chǎn)生阻尼力,從而實(shí)現(xiàn)2個方向差異的力學(xué)性能。

基于經(jīng)典庫倫摩擦理論的純摩擦機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型為理想剛塑性,而考慮實(shí)際非對稱摩擦阻尼器中其他裝置部件及連接件自身的附加剛度貢獻(xiàn),可用彈塑性模型表征其力學(xué)性能,即模型具有一定的初始剛度。2種阻尼器的滯回曲線如圖1所示,其力學(xué)模型見表1所列。其中:F為阻尼力;Fmax、Fmin為摩擦阻尼力雙向峰值;d(t)為阻尼器位移;彈塑性模型中kd為阻尼器彈性剛度;dy、dmax分別為彈性極限位移和峰值位移。由此可見,非對稱摩擦阻尼器在2個方向上產(chǎn)生的摩擦阻尼力完全不同。

圖1 2種摩擦阻尼器滯回曲線

表1 2種摩擦阻尼器力學(xué)模型

2 新型非對稱摩擦阻尼器的設(shè)計制作

新型非對稱摩擦阻尼器通過設(shè)置棘輪使阻尼器在摩擦板之間一向運(yùn)動時棘輪卡死,產(chǎn)生穩(wěn)定的摩擦力;而反向時則棘輪空轉(zhuǎn),摩擦片趨于不滑動,幾乎不產(chǎn)生摩擦力。文獻(xiàn)[8-9]提出的一種僅提供拉力的單向耗能裝置采用直線設(shè)計,在行程中無法復(fù)位。而采用可旋轉(zhuǎn)的單向棘輪與特定行程的摩擦片組合,可適應(yīng)單向受力且可輕松復(fù)位的大變形需求,通過調(diào)節(jié)兩側(cè)高強(qiáng)度螺栓及預(yù)緊彈簧的預(yù)緊力可以改變摩擦板之間的正壓力,從而獲得雙向不同的摩擦阻尼力。

設(shè)計制作的阻尼器示意圖如圖2所示,樣品如圖3所示,主要構(gòu)件尺寸見表2所列,定義阻尼器兩端產(chǎn)生相離位移時為正(即阻尼器受拉),產(chǎn)生相向位移時為負(fù)(即阻尼器受壓)。在最大預(yù)緊力情況下,設(shè)計受拉方向峰值阻尼力最高可達(dá)30 kN,而受壓方向峰值阻尼力接近于0。

圖2 新型非對稱摩擦阻尼器示意圖

圖3 新型非對稱摩擦阻尼器樣品

表2 阻尼器主要構(gòu)件尺寸及材料 單位:mm

3 新型非對稱摩擦阻尼器性能試驗(yàn)

3.1 低周往復(fù)加載試驗(yàn)

為研究該阻尼器滯回性能,并驗(yàn)證上述提出的力學(xué)模型,對研制的非對稱摩擦阻尼器樣品進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)。該阻尼器兩端連接板分別與固定于地面的反力墩、作動器相連,在作動器與連接板的中間設(shè)置量程為100 kN的力傳感器。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 非對稱摩擦阻尼器性能試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中采用位移控制的低周往復(fù)加載方案,位移按照正弦函數(shù)規(guī)律變化,具體如下:

d(t)=dsin(ωt)=|dmax|sin(2πft)

(1)

其中:f為頻率;dmax為峰值位移。

加載時的力和位移數(shù)據(jù)通過相應(yīng)傳感器記錄并由試驗(yàn)裝置采集輸出。

試驗(yàn)時,通過調(diào)節(jié)預(yù)緊彈簧的壓縮量以改變摩擦板之間的預(yù)緊力,從而實(shí)現(xiàn)摩擦阻尼力的變化,同時改變阻尼器峰值位移,對阻尼器樣品進(jìn)行多組試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的非對稱力學(xué)性能。在所有工況中,非對稱摩擦阻尼器整體上出力穩(wěn)定,阻尼器受拉時穩(wěn)定為正值,而受壓時阻尼力幾乎為0。每個工況進(jìn)行3個循環(huán),每個循環(huán)的滯回曲線中的阻尼力都比較平穩(wěn),3條曲線也比較接近。試驗(yàn)中可看出阻尼器帶有一定的初始剛度,其滯回曲線非常飽滿,表明其耗能性能良好。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表3 非對稱摩擦阻尼器性能試驗(yàn)結(jié)果

選取不同預(yù)緊力下典型工況的滯回曲線如圖5所示。從圖5可以看出,試驗(yàn)阻尼器在受拉時出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在受壓時出力,Fmax最大值為22.0 kN,而Fmin約為-0.5 kN,且在相同預(yù)緊力、不同峰值位移時,Fmax都十分接近,說明峰值位移對峰值阻尼力的影響不大。在所有預(yù)緊力不為0的工況中,受拉峰值阻尼力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受壓峰值阻尼力,驗(yàn)證了阻尼器的非對稱性。

圖5 典型工況的滯回曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明,非對稱阻尼器力學(xué)性能滿足預(yù)期的需求。但在所有工況中,都會出現(xiàn)“空程”情況，即阻尼器位移到達(dá)負(fù)向峰值而向0位移處移動時,阻尼力并未隨位移變化而增大,而是保持在0左右,空程大小在0～10 mm之間,與棘輪齒距有關(guān)。分析認(rèn)為,棘輪順時針旋轉(zhuǎn)時,阻尼器處于受壓狀態(tài),阻尼力幾乎為0;但當(dāng)棘輪改變?yōu)槟鏁r針旋轉(zhuǎn)時,棘輪的外齒不一定正好卡住內(nèi)齒,因此無法立刻帶動內(nèi)齒運(yùn)動,需要外齒經(jīng)過一小段的空轉(zhuǎn)才能與內(nèi)齒嚙合,然后帶動內(nèi)齒運(yùn)動,即會產(chǎn)生相應(yīng)的“空程”現(xiàn)象,這在一定程度上影響了阻尼器的耗能能力,不利于阻尼器發(fā)揮最優(yōu)性能。

部分工況中,當(dāng)阻尼器結(jié)束空程部分時,阻尼力迅速增加到較大的數(shù)值,然后又下降到比較穩(wěn)定的值。例如在工況11中(圖4b),阻尼力增加到20 kN,然后又下降了約1.5 kN,之后在受拉階段均穩(wěn)定維持在18.5 kN。上述現(xiàn)象與棘輪反向轉(zhuǎn)動時,摩擦副由動摩擦轉(zhuǎn)變靜摩擦再轉(zhuǎn)變動摩擦的過程相關(guān)。文獻(xiàn)[14]表明,不同摩擦材料接觸面間靜摩擦力與滑動摩擦力差別大,選用滑動摩擦力衰減小、性能良好的材料有利于保證摩擦耗能系統(tǒng)穩(wěn)定性以及抗震性能的發(fā)揮。

4 新型非對稱摩擦阻尼器試驗(yàn)分析

4.1 峰值阻尼力

理論上,阻尼器峰值位移與阻尼力是無關(guān)的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在頻率和預(yù)緊力不變的情況下,峰值位移對峰值阻尼力的影響非常小,可認(rèn)為試驗(yàn)阻尼器的阻尼力主要與預(yù)緊力有關(guān),且兩者成正比關(guān)系,其關(guān)系如下:

Fmax=F0+μN(yùn)

(2)

其中:Fmax為峰值阻尼力;F0為初始阻尼力;μ為動摩擦系數(shù);N為總預(yù)緊力,即摩擦板間正壓力。

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析可得擬合度R2=0.995時線性擬合關(guān)系式為:

Fmax=1.0+0.45N

(3)

試驗(yàn)中不同預(yù)緊力工況下誤差分別為8.3%、5.5%、1.2%、0.9%,因此設(shè)計此類非對稱摩擦阻尼器時,把預(yù)緊力和動摩擦系數(shù)作為主要設(shè)計參數(shù),從而按需設(shè)計非對稱摩擦阻尼器將滿足在工程上應(yīng)用的精度需求。

4.2 應(yīng)力強(qiáng)度

根據(jù)表2中阻尼器主要組成構(gòu)件的尺寸與材料信息,本文進(jìn)行相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度計算,以保證設(shè)計最大峰值阻尼力Fmax=30 kN工況下阻尼器的正常工作性能,計算結(jié)果如下。

連接板拉壓強(qiáng)度為：

傳動軸拉壓強(qiáng)度為：

彈簧壓板局部承壓強(qiáng)度為：

其中:單個彈簧最大預(yù)緊力Nmax=8 kN;45號鋼與40Cr材料抗拉強(qiáng)度分別為600、800 MPa。

4.3 力學(xué)模型

空程是該新型非對稱摩擦阻尼器滯回曲線中一個重要的特點(diǎn),但其大小存在不確定性,需要在力學(xué)模型中予以考慮,試驗(yàn)中的非對稱摩擦阻尼器可以用彈塑性模型來模擬,具體如圖6所示。

圖6 非對稱摩擦阻尼器力學(xué)模型

試驗(yàn)結(jié)果表明,其受壓峰值阻尼力接近于0,因此實(shí)際可直接將模型中的Fmin設(shè)定為0。

最終試驗(yàn)阻尼器的力學(xué)模型可表示為整體彈塑性模型與空程模型的疊加，即

F=Fall-Fnull

(4)

其中,總體彈塑性模型Fall可表示為:

(5)

空程模型Fnull可表示如下:

(6)

考慮空程影響后,最終試驗(yàn)阻尼器的單周滯回曲線耗散能量為:

dnull∈(0,10)

(7)

5 結(jié) 論

本文基于雙向異性構(gòu)件的力學(xué)性能需求,研發(fā)了一種新型非對稱摩擦阻尼器,提出簡化力學(xué)模型,設(shè)計制造出該新型阻尼器樣品,并進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)分析,得到以下主要結(jié)論:

(1) 該非對稱阻尼器摩擦性能與速度關(guān)聯(lián)度不大,在不同峰值位移和速度時保持穩(wěn)定,且通過調(diào)節(jié)預(yù)緊力改變該阻尼器的峰值阻尼力。實(shí)際可依據(jù)動摩擦系數(shù)和預(yù)緊力為主要控制參數(shù)設(shè)計該阻尼器。

(2) 該非對稱阻尼器的負(fù)向位移峰值回程有一定的空程值,以彈塑性模型表征其恢復(fù)力模型時,需要基于滯回耗能原則考慮空程的影響。在后續(xù)研究中,可以通過改進(jìn)棘輪的設(shè)計來減小甚至消除空程以實(shí)現(xiàn)更好的力學(xué)性能。

(3) 推導(dǎo)非對稱摩擦阻尼器力學(xué)模型,能較好地模擬實(shí)際阻尼器的力學(xué)性能,可用于后續(xù)新型阻尼器的模擬分析。