新型自复位变摩擦耗能装置理论研究与数值分析

2021-02-25 08:29韩少渊

噪声与振动控制 2021年1期

韩少渊

（中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，武汉430064）

2008年汶川地震对中高层建筑、基础设施和生命线工程造成了巨大破坏，产生了严重的经济损失，再次显示了地震的破坏效应以及控制结构和非结构构件破坏的重要性[1]。消能减震技术已被实践证明能够有效地控制结构损伤，降低结构响应[2]，它通过在结构构件之间或建筑物与基础之间设置隔震、减震装置，利用隔震、减震装置的耗能特性，降低地震能量向建筑物的传递，以达到减小结构震动目的。目前，虽然国内外研究学者已开发出多种类型的减震装置，但由于受其本身特性影响仍具有一些不足之处，如黏弹性阻尼器易老化，金属阻尼器震后易损伤，黏滞阻尼器密封性差等[3-4]。

摩擦阻尼器是一种耗能能力强，受荷载大小、加载频率和加卸载循环次数影响小的减震控制装置。自1982年Pall 和Marsh[5]第一次提出摩擦型阻尼器以来，研究人员从改进结构形式以及材料等方面设计了不同类型的摩擦阻尼器，并对其耗能能力进行了探讨。王伟等[6]设计制作了电磁摩擦耗能装置，可根据结构控制层的层间位移来调节工作电流，以实现控制力的连续变化。石光磊等[7]利用形状记忆合金的超弹性，结合Pall摩擦阻尼器，提出了一种SMA复合摩擦阻尼器，并对其进行了试验研究。张洵安等[8]针对被动摩擦阻尼器滞回曲线不饱满问题，提出了一种具有简单控制律的Off-On 半主动摩擦阻尼器，并对其减震控制效果进行了计算分析。王社良等[9]利用压电陶瓷材料的压电效应，设计了一种新型的压电摩擦阻尼器，并对其进行了试验研究，结果表明，该阻尼器具有较好的耗能能力，能够有效地减小地震作用。Samani 等[10]设计并制作了一种可调摩擦阻尼器，且对其进行了试验研究。Monir等[11]利用钢板和螺栓设计了一种新型摩擦阻尼器，并对该阻尼器的耗能能力和减振效果进行了试验研究。韩建强等[12]针对滑动长孔高强螺栓摩擦阻尼器，设计了由钢板与四种摩擦板材料组成的摩擦阻尼器，并对其进行了低周反复荷载试验。

虽然国内外专家学者已对摩擦阻尼器进行了大量的试验和理论研究，但大多数研究局限于传统意义上的摩擦阻尼器，该类型摩擦阻尼器控制力单一，而地震荷载又具有较强的不确定性，使得该类型摩擦阻尼器很难较好地适应结构的变化需求。即使有少数专家提出变摩擦阻尼器的概念，但也需依靠外界能源对阻尼器的调节，这样势必带来阻尼器结构复杂，造价成本过高等问题。同时，传统摩擦阻尼器并不具备自复位能力，地震作用下结构残余变形大。基于此，本文利用形状记忆合金（Shape memory alloy，简称SMA）弹簧的超弹性提供复位功能，巧妙地改变传统摩擦阻尼器的结构形式，提出了一种新型自复位变摩擦阻尼器，并对其力学性能进行探讨分析，为其在工程中的应用提供理论基础。

1 构造形式

新型自复位变摩擦耗能装置构造设计如图1所示。由左侧预紧端柄1、滑块2、斜板3、橡胶弹簧4、摩擦材料5、形状记忆合金弹簧6、导杆7、右侧预紧螺母8、右侧端柄9、外筒10 等几部分组成。左侧预紧端柄1和右侧预紧螺母8通过螺纹与导杆7相连，通过调整预紧端柄和预紧螺母与导杆之间的间隙可实现对形状记忆合金弹簧施加预压力。橡胶弹簧4通过工业胶水与滑块粘结成整体共同滑动。斜板3与水平夹角为θ，可通过调整水平夹角的大小实现变摩擦的功能。右侧端柄9主要起连接结构作用。

图1 自复位变摩擦耗能装置图

新型自复位变摩擦阻尼器的工作原理是：首先通过调整预紧端柄和预紧螺母与导杆之间间隙对装置施加预压力。外部荷载作用于预紧端柄，将力传递至滑块，当外部荷载作用力超过滑块与摩擦材料之间的静摩擦力时，滑动将会产生移动，从而消耗地震传递的能量。由于斜板的作用，在外部荷载作用下，斜板对滑块产生挤压，从而压缩橡胶弹簧，进而改变该装置摩擦力的大小，故可以自适应地实现变摩擦的功效。同时，由于形状记忆合金弹簧的作用，当外部荷载消除后，可以依靠其自身的超弹性特性，使得该减震装置回复至原始位置。

2 恢复力模型

2.1 SMA弹簧力学模型

根据SMA 弹簧宏观试验和纯剪状态下受力特性，可将其轴向变形x与F1之间的关系描述为[13]

式中：K 为SMA 弹簧刚度系数；β 为SMA 弹簧形状记忆系数；xL为SMA弹簧最大记忆变形。

式中：D为弹簧平均直径；N为弹簧总圈数；d为形状记忆合金直径；

加载过程中，SMA 弹簧形状记忆系数β 可表示为

式中：β0为开始加载时形状记忆系数初值。

卸载过程中，SMA 弹簧形状记忆系数β 可表示为

式中：β'0为为开始卸载时形状记忆系数初值。

SMA弹簧最大记忆变形xL可以表示为

式中：εL为SMA最大残余变形。

根据所建立的SMA 弹簧力学模型，采用MATLAB 编制相应的计算求解程序，为便于同试验结果对比，引用文献[14]中SMA 弹簧几何参数和材料性能进行计算，如表1所示。计算结果如图2所示。

图2 数值计算与试验结果对比图

从图2可以看出，SMA 弹簧在轴向荷载作用下其变化曲线呈现旗帜形，表现出良好的复位性能；数值计算结果与试验结果吻合较好，表明文中所建立的模型能够较好地表述SMA弹簧的力学性能。

2.2 变摩擦耗能装置理论模型

当滑块在摩擦板上滑动时，其力学模型可以简化为沿斜坡运动的滑块，如图3所示。滑块质量为m，θ为斜板与水平面夹角。

图3 滑块力学简化模型

假定斜板的函数曲线为y=f (x)，在斜板两端a2=f (0)、0=f (l)，当滑块运动到任一位置b 时，由图3所示，可列出此时滑块受力平衡方程。

式中：T 为滑块在接触面所受摩擦力；N 为滑块在接触面所受法向力；P为橡胶弹簧所提供弹性力。

倘若滑块处于滑动状态，则可得出：

式中：μ为滑动与斜板之间的摩擦系数。

由式（19）、式（20）和式（21）可得：

根据文献[15]可将橡胶弹簧简化为线性弹簧，由胡克定律可得：

式中：k 为橡胶弹簧刚度系数，E 为橡胶弹簧弹性模量；L1和L2为橡胶弹簧截面的长和宽；L 为橡胶弹簧初始长度；Δ为橡胶弹簧压缩变形。

2.1.1 心理护理术前关注患者的心理状态至关重要［7］。患者为年轻女性，病史2年余，因咳嗽、咳痰、发热就诊于多家医院，口服抗结核药物效果不满意，经多次气管镜检查发现气管下段狭窄。随着病情进展呼吸困难加重，雾化、平喘、对症治疗无效，使患者对治疗信心不足。虽然对手术抱有希望，但又担心手术失败。护士及时了解患者心理变化，随时了解各种检查结果，给予心理疏导。告诉其医护人员及家人正在积极想办法、做准备，并列举成功实施气管手术的病例鼓励患者，讲解大致手术过程，增强患者战胜疾病的信心。在不影响治疗、护理的情况下，尽量让家属陪伴，增加患者安全感，使患者能积极配合检查、治疗。

由图2可得：

表1 SMA弹簧材料参数表

结合式（22）至式（25）可得：

由tanθ=| f′(x)|，可得滑块滑动至任一x位置时出力为

由式（26）可以看出，橡胶弹簧变形f (x)不断变化，由此所提供的弹性力也在不断发生变化，故F2也将随着滑块位置不同而发生变化。

2.3 自复位变摩擦耗能装置恢复力

根据构造形式可知，自复位变摩擦耗能装置受力特性主要由SMA 弹簧和变摩擦耗能装置两部分确定。故其恢复力模型应由两部分构成，即：

式中：F为自复位变摩擦耗能装置恢复力。

由式（1）和式（26）即可求出自复位变摩擦耗能装置恢复力模型。

3 自复位变摩擦耗能装置力学性能分析

本文设计自复位变摩擦耗能装置的主要尺寸为：钢材均采用Q355钢材，板件厚度为10 mm，杆件总长800 mm；外筒长为500 mm，横截面为150×100 mm；导杆直径为30 mm，长度为450 mm；斜板倾角θ为5°；摩擦材料选用黄铜片；橡胶弹簧外形尺寸为50 mm×50 mm×80 mm；SMA弹簧主要参数如下表1所示。其中螺旋弹簧圈数和弹簧总长度分别修改为12和380 mm。

利用MATLAB 软件编制程序对自复位变摩擦耗能装置力学性能进行仿真分析[16]，从加载频率和位移幅值两方面探讨其对自复位变摩擦耗能装置力学性能的影响，具体加载工况如表2所示。