结构的振动控制可以有效减轻结构在地震或者风荷载作用下所引起的反应和损伤，有效提高结构的抗灾能力。国内对黏滞流体阻尼器的研究起步较晚，1999年，欧进萍等对间隙式黏滞流体阻尼器进行了力学性能试验与理论研究，探讨了不同类型黏滞流体的特性，在幂律流体本构关系的基础上建立了黏滞阻尼器的阻尼力计算模型。东南大学叶正强、李爱群等对黏滞流体阻尼器的工作原理进行分析，提出双出杆黏滞流体阻尼器的构造方法，并对其控制效果进行试验研究[1]。
以上研究主要对黏滞流体阻尼器的计算模型及组成材料进行研究。流体阻尼器通常采用单出杆和双出杆形式，由于单出杆流体阻尼器在构造上存在缺陷，在活塞运动时会出现“真空”和“顶死”现象，使阻尼器产生的阻尼力不稳定。此外，在对建筑物进行缩尺模型试验中对阻尼器的力学性能要求较高，用于实体结构的阻尼器在模型试验这种小体积、小行程条件下不能发挥明显作用。因此，本文提出一种新型微型黏滞流体阻尼器，采用双出杆形式，在阻尼器两端增加导流管，避免了双出杆流体阻尼器阻尼力不可调的弊端，应用范围更广。
1 阻尼器的结构设计微型可调式黏滞阻尼器采用双出杆形式，由油缸、活塞、活塞杆、黏滞介质、导流管、调节阀、密封件及连接件等组成(如图1所示),其中油缸内径D1=53 mm，活塞杆直径D2=12.5 mm，导流管直径d=16.5 mm，调节阀进流口直径d2=9 mm，导流管长度L=200 mm。阻尼器油缸内黏滞介质采用46#液压油，阻尼器活塞采用密闭形式。调节阀水平总旋转圈数为9圈，调节阀旋转单圈过程中阀芯竖向行程为1 mm，将调节阀旋转划分为20个刻度。阻尼器在运行过程中，通过活塞杆压缩黏滞介质，使流体通过导流管流经调节阀，由调节阀控制流体流量从而调节阻尼器阻尼力输出的大小。
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| 图 1 可调式黏滞流体阻尼器剖面图 |
为了更为准确地揭示可调式微型黏滞流体阻尼器的控制性能，首先需要确定其恢复力模型。从阻尼器的构造及试验数据可知此可调式黏滞流体阻尼器具有非线性特性，使用的液压油属于牛顿流体，则输出阻尼力与活塞运动速度的关系可从能量耗散角度进行分析[2]。
当液压油从缸筒进入导流管时，此阶段的能量损耗主要包括黏滞摩擦损耗和流体动能变化引起的附加能量损失。此部分能量损耗可表示为：
当液压油进入导流管后，为简化分析，近似将导流管看做水平通道，忽略重力影响。由Navier-Stokers方程可推知此部分能量损耗为
根据流动流体的动量定理和细管及大容器断面的伯努利方程，可得出流断面扩大的能量损耗为
由此，牛顿流体在阻尼器中运动的总能量损耗可表示为
设流体在流经通道前后压降为Δp，由(1)式~(4)式得
根据流量守恒定律，又由输出阻尼力与压降的关系有
且由调节阀阀芯行程变化，有
试验在型号为INSTRON8871疲劳试验机上进行，在环境温度20℃的情况下，对可调式微型黏滞阻尼器在调节阀阀芯行程不同的情况下进行抗低周循环加载试验(10圈)和抗低周疲劳性能试验(60圈)，试验按照Triangle Wave进行系统加载，通过控制不同的加载频率(0.25 Hz、0.5 Hz、0.75 Hz、1.0 Hz、1.25 Hz、1.5 Hz)和位移幅值(±10 mm、±8 mm、±6 mm)，分别测得相应的阻尼力-位移关系曲线。
3.1 滞回耗能性能经过加载选取具有代表性的2组滞回曲线(振幅均为±10 mm)如图2所示。
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| 图 2 可调式黏滞流体阻尼器的滞回曲线 |
可以看出阻尼器的力-位移滞回曲线近似于矩形并且十分饱满，说明可调式黏滞流体阻尼器具有良好的耗能性。同时阻尼器经10圈往复循环后的滞回环几乎与初始滞回环重合，也证明该阻尼器的耗能性稳定。从图中可知，在F=0附近出现拐点，究其原因主要由于试验中无法对支座连接处做绝对刚接处理，导致阻尼器在该处出现一定转动；但这不影响对阻尼器耗能性能和稳定性的评定。
3.2 性能影响参数影响可调式黏滞流体阻尼器性能的参数主要有加载频率、加载位移和调节阀芯行程。图3为相同加载位移和调节阀芯行程、不同加载频率下的滞回曲线对比，其中位移幅值为±10 mm的情况下，加载频率取0.25 Hz、0.5 Hz、0.75 Hz对应的最大阻尼输出力分别为0.213 kN、0.354 kN和0.613 kN。图4为相同加载频率和调节阀芯行程、不同加载位移下的滞回曲线对比，其中加载频率为0.75 Hz,加载位移幅值分别为±10 mm、±8 mm和±6 mm的情况下，最大阻尼输出力为0.613 kN、0.459 kN、0.302 kN。由图3、图4可知，同等条件下，可调式黏滞流体阻尼器的阻尼力和滞回环面积随加载频率、加载位移的增大而逐渐增加，说明该阻尼器为速度相关型阻尼器，具备基本黏滞阻尼器的参数变化规律。此外，从试验中可知，调节阀芯行程越小，阻尼器滞回曲线面积越大，证明黏阻尼器输出阻尼力的可调节性。
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| 图 3 不同加载频率条件 |
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| 图 4 不同加载位移条件下滞回曲线对比下滞回曲线对比 |
试验中在完成10圈往复循环的力学性能测试后，进行60圈往复循环的抗低周疲劳性能试验，由 图5a)看出，经过10圈阻尼器往复循环试验后，各工况阻尼器耗能能力的衰减幅度很小，基本没有变化。图5b)为经过60圈往复循环性能试验后阻尼器最大输出力情况，阻尼器仍具有稳定的滞回环形状，且其面积较初始滞回环面积无显著差异，阻尼器耗能能力的衰减幅度也是在规范要求的15%范围以内。如在衰减最显著的工况(h=3.0 mm，f=1.0 Hz，A=10 mm)下，初始最大输出力为0.849 2 kN，60圈往复加载后最大输出力为0.755 6 KN，下降幅度为11.0%；在工况h=6.0 mm，f=1.0 Hz，A=10 mm下，初始最大输出力为0.6317 kN，60圈往复加载后最大输出力为0.600 9 kN，下降幅度为4.9%，以上均符合规范限值要求。
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| 图 5 阻尼器最大输出力与滞回圈数之间的关系 |
结合试验结果，采用数据拟合方法给出阻尼器的阻尼系数和阻尼指数，根据第二部分所得阻尼力的数学表达，得到阻尼器在不同工况下的理论值。选取有代表性的0.5 Hz、1.0 Hz、1.5 Hz频率范围内阻尼器最大输出力的理论值与试验值进行对比，如表1所示。
| 阀芯行程/mm | 0.5 Hz | 1.00 Hz | 1.50 Hz | ||||||
| 试验值a | 理论值b | 误差/% | 试验值a | 理论值b | 误差% | 试验值a | 理论值b | 误差% | |
| 7.0 | 0.291 8 | 0.282 2 | 3.29 | 0.628 5 | 0.640 2 | 1.87 | 1.026 0 | 1.073 9 | 4.67 |
| 6.0 | 0.293 1 | 0.283 8 | 3.18 | 0.631 7 | 0.646 6 | 2.37 | 0.948 3 | 1.088 4 | 14.77 |
| 5.0 | 0.300 4 | 0.287 1 | 4.43 | 0.649 3 | 0.659 8 | 1.62 | 1.114 5 | 1.118 1 | 0.32 |
| 4.0 | 0.310 7 | 0.294 7 | 5.14 | 0.755 9 | 0.690 1 | 8.71 | 1.257 5 | 1.186 2 | 5.67 |
| 3.5 | 0.336 8 | 0.302 4 | 10.23 | 0.789 3 | 0.720 8 | 8.67 | 1.305 5 | 1.255 2 | 3.85 |
| 3.0 | 0.353 9 | 0.316 0 | 10.70 | 0.849 2 | 0.775 5 | 8.67 | 1.568 1 | 1.378 3 | 12.10 |
可知，除极少数工况外，采用推导的计算模型得到的理论值与试验值吻合度较高，误差在规范要求的限值15%以内，说明可调式黏滞流体阻尼器输出阻尼力理论计算式具有较高可信度。
5 结 论本文研制一种新型可调式微型黏滞流体阻尼器，经过对其力学性能的研究可知：该阻尼器的参数满足一般无刚度速度相关型黏滞阻尼器的变化规律，阻尼力-位移滞回曲线十分饱满，耗能性较强，动力性能比较稳定，对振动作出耗能响应的反应敏感；经60圈抗低周往复循环试验后，阻尼器耗能能力的衰减幅度均控制在规范要求的15%以内，且没有出现明显的疲劳现象，抗低周疲劳性较好；滞回耗能随加载位移幅值、频率的增加而增大，滞回环面积随调节阀芯行程的变小而变大，反应阻尼器具有良好的调节性和工作效率；此外，将试验结果与理论计算值相对比，证实该阻尼器输出阻尼力计算式的正确性。综上，可调式黏滞流体阻尼器作为一种高效减振装置，可用于建筑物模型试验研究及工程结构的抗震加固中。
| [1] |
叶正强,李爱群,程文瀼,等. 采用黏滞流体阻尼器的工程结构减振设计研究[J]. 建筑结构学报, 2001, 22(4):61-66 Ye Zhengqiang, Li Aiqun, Cheng Wenrang, et al. Study on Vibration Energy Dissipation Design of Structures with Fluid Viscous Dampers[J]. Journal of Building Structures, 2001, 22(4):61-66(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (139) | |
| [2] |
欧进萍,丁建华. 油缸间隙式黏滞阻尼器理论与性能试验[J]. 地震工程与工程振动,1999,19(4):82-88 Ou Jinping, Ding Jianhua. Theory and Performance Experiment of Viscous Damper of Clearance Hydrocylinder[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1999, 19(4):82-88(in Chinese) |
| Cited By in Cnki (139) | |
| [3] | Langhaar H L. Steady Flow in the Transition Length of Straight Tube[J]. Appl Mech, 1942, 9(22):55-58 |
