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建筑用颗粒阻尼器减振性能研究

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  • 发布时间:2014-09-14
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颗粒的阻尼特性已经引起了国内外众多研究者的关注,并有相应的研究成果产生。上个世纪九十年代初,国外就有学者对粉体颗粒阻尼进行了细致的实验研究 j。时至今13,颗粒阻尼的成功应用当数航天领域。当代航空发动机的潮流是采用整体叶盘、无凸肩设计,干摩擦阻尼不再适用。航空发动机的工作温度-般都高于2500摄氏度,而粘弹性阻尼材料 (橡胶等)制作的阻尼器均不能在此高温环境中工作。所以在航空发动机叶片的减振中,颗粒材料阻尼器非常合适,因为颗粒阻尼器具有减振频带宽、冲击力弱、噪声小等优点,同时,这种阻尼器还结构简单、耐高温、抗老化,能适合恶劣工作环境。几十年来,还有许多学者对颗粒阻尼器应用于其他结构的减振降噪做了-些实验研究和理论分析,发现了颗粒阻尼器在机构高频受迫振动和自由振动中的优良减振效果 。

在国内,众多学者也开展了颗粒阻尼器减振效果的研究,如夏兆旺等研究了颗粒阻尼器对悬臂梁 自振行为的减振效果,发现放置在悬臂梁自由端的颗粒减振器,可以使悬臂梁的阻尼比提高数倍,而且自振振幅越大,减振效果越好;另外,还发现颗粒材料和填装率对颗粒阻尼器的阻尼性质也有影响 J。

胡溧等研究了存在外部激励作用时加装颗粒阻尼器的弹簧质量块系统的受迫振动行为,发现加装颗粒阻尼器以后,系统对较大振幅隋形作用显著 ,对较小振幅只起附加质量的作用,而且颗粒阻尼器可以有效抑制振幅,当然也降低了系统的共振幅度,并会使系统的共振频率向低端漂移 。综合分析国内外各研究者的研究成果,可以看出,目前基本上还处于实验室研究阶段的颗粒阻尼器,对高频、大幅度的振动减振效果很好,但不适合低频、小幅度振动的减振。杜妍辰 以悬臂梁为实验对象 ,设计了-种包含大颗粒和微信粒的颗粒阻尼器,将阻尼器固定在悬臂梁自由端振幅最大的位置,研究阻尼器对低频、大振幅振动的减振效果,发现效果显著,其原因被解释为,原来单-粒径的颗粒阻尼器,耗能机理是颗粒之间的摩擦、碰撞、声发射等损失,而现在大小两种颗粒构成的颗粒阻尼器,耗能机理变成了大颗粒对微信粒的打砸作用直接导致微信粒产生显著的塑性变形从而引起能量的永久损失∩见,这种颗粒阻尼器适合对低频、大幅度的振动进行减振,而高层建筑的顶端,在风荷载、地震荷载等作用下的受迫振动,就是-种低频、大幅度的振动,但迄今为止,还没有-种可安装在高层建筑顶端,可显著抑制风激振动和地震振动的基于颗灵质减振原理的阻尼器装置被开发出来。因此,在建筑工程领域,开发这种阻尼器显然是-个全新的极具工程应用价值的研究方向。

为开发建筑用高效减震颗粒阻尼器,本课题组在调研国内外关于颗粒阻尼器的基础性研究成果及其工程应用的基础上,利用自行设计的可模拟高层建筑结构的实验模型,对颗粒阻尼器的减振机理进行了- 定的实验研究,下面对其取得的成果做-简要介绍,以期能够引起同行的关注或与同仁商榷。

收稿 13期:2012-12-20基金项 目:东莞市高等院衅研机构科技计划 (200910814044)和广东势技计划 (2011B061300023)资助项目。

作者简介:马崇武 (1965-),男,甘肃甘谷人,教授,博士,主要从事环境与基础工程中的力学问题研究。

86 东 莞 理 工 学 院 学 报1 实验研究1.1 实验模型在实验室制作高层建筑模型,并制作不同参数的颗粒阻尼器模型,将数个某种颗粒阻尼器模型按照某-几何排列方式安装在建筑模型顶端,将其固定在振动台上进行受迫振动实验,振动台激励包括横向简谐振动、纵向简谐振动以及复合振动。

1.2 材料选取通过实验,对建筑用颗粒阻尼器进行优化设计,需要满足两个基本标准:其-,成本控制,要尽量选择市场上大量存在、容易采购、价格便宜的颗粒材料和外壳材料制作颗粒阻尼器,使该阻尼器的市场推广从价格上获得优势和动力;其二,减振效果好、经久耐用、容易安装固定。

2 结论与讨论2.1 颗粒阻尼器颗粒填装率实验固定高层建筑模型 (-维细长弹性杆)不变,选用铁制盒,在其中装入钢珠做成颗粒阻尼器,变换颗粒填装率 (即颗粒体积占铁盒容积的百分比)。我们共创造出0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和l共10种填装率,研究填装率对减振效果的影响,发现存在-个最佳填装率,在此填装率下,颗粒阻尼器的减振效果最好,此结论可以推荐到工程应用领域∩能的理由是:填装率过低时,虽然每个颗粒在振动中速度大,非常活跃,但颗粒之间的碰撞机会减少,所以不利于能量的快速耗散。而当填装率过高时,颗粒之问的碰撞机会显著增大,但每个颗粒在振动中速度低,使得相互碰撞时能量消耗不明显,所以也不利于能量耗散。综上所述,肯定存在-个最佳填装率,使得能量耗散最为有效。

在上述对照实验中,发现随着颗粒阻尼器中颗粒填装率的增加,减振效果 (用对振幅的抑制程度来评价)先增大后减小;无论何种颗粒,当填装率为 60% ~70%的时候,颗粒阻尼器对结构的减振效果最佳;在较低填装率阶段,减振效果随颗粒填装率增大的变化速度,在填装率为20%附近处最大,即填装率从小于20%跨越20%时,结构的振动幅值下降最快。

2.2 质量块和颗粒阻尼器的对照实验第-组实验对象:在结构上某-位置安装颗粒阻尼器;第二组实验对象:在结构上同-位置安装等质量的质量块~实验对象固定在振动台上,做广谱宽频的随机受迫振动实验。发现在随机振动激励下,与质量块相比较,颗粒阻尼器可以显著降低结构在固有频率 (共振频率,也就是自振频率)处的振幅峰值,说明颗粒阻尼器能够明显消耗振动能量,抑制结构振动幅值,起到很好的被动减振作用。

2.3 不同属性颗粒填装的颗粒阻尼器的对照实验第-组实验对象:用绿豆填装,制成不同填装率的颗粒阻尼器;第二组实验对象:用沙子填装,制成与系列绿豆阻尼器质量依次对应的不同填装率的颗粒阻尼器。然后将两种颗粒阻尼器安装在结构的同- 位置,执行随机激励振动实验。发现在相同随机振动激励下,绿豆颗粒阻尼器对结构对应于固有频率(共振频率,也就是自振频率)的振动峰值的减小作用要弱于沙子阻尼器,即与绿豆阻尼器相比,沙子阻尼器对结构在各阶固有频率处的响应幅值的抑制作用更好∩能原因在于,在质量相等的情况下,沙子阻尼器中沙子的颗粒数量要明显多于绿豆阻尼器中绿豆的数量,使得沙子之间的碰撞更频繁,耗能更大,这在-定程度上说明颗粒阻尼器的减震作用主要在于颗粒的碰撞耗能。

2.4 大小不同钢质颗粒阻尼器的对照实验第-组实验对象:用小钢珠 (直径4.32 mm)填装,制成不同填装率的颗粒阻尼器;第二组实验对象:用大钢珠 (直径12.34 inm)填装,制成与系列小钢珠阻尼器质量依次对应的不同填装率的颗粒阻尼器。然后将两种颗粒阻尼器安装在结构的同-位置,执行随机激励振动实验。发现在相同随机振动激励下,大钢珠颗粒阻尼器对结构对应于固有频率 (共振频率,也就是自振频率)的振动峰值的减小第 3期 马崇武,等:建筑用颗粒阻尼器减振性能研究 87作用要弱于信粒阻尼器,即与大钢珠阻尼器相比,小钢珠阻尼器对结构在各阶固有频率处的响应幅值的抑制作用更好。与绿豆和沙子的情形相似,可能原因在于,在质量相等的情况下,小钢珠阻尼器中的颗粒数量要明显多于大钢珠阻尼器中的颗粒数量,使得小钢珠之间的碰撞更频繁,耗能更大,这在-定程度上说明颗粒阻尼器的减震作用主要在于颗粒的碰撞耗能。

2.5 最佳填装率的颗粒阻尼器实验发现在相同的随机振动激励下,颗粒阻尼器对整个结构 (包括细长弹性杆和阻尼器)的二阶固有频率 (约290 HZ)、三阶固有频率 (约540 HZ)、四阶固有频率 (约860 HZ)、五阶固有频率 (约1200HZ)处的减振效果要大大高于-阶固有频率 (约 100 HZ),且对高阶固有频率处的减振效果总高于对低阶固有频率处的减振效果。这-实验现象充分说明颗粒阻尼器具有非常好的高频减振效果,而对结构低阶固有频率的共振效应的抑制作用较弱。

2.6 颗粒阻尼器不同安装位置实验将沙子颗粒阻尼器安装在结构下、中、上不同高度的位置上进行实验,发现当外加的随机振动激励载荷的作用位置处于结构的底端时,将颗粒阻尼器安装在结构的中端较之顶端的减振效果更好,特别是对高阶模态,这-效果更明显∩能的原因是:对底端固定顶端自由的竖立高瘦悬臂梁结构来说,其-阶模态在顶端的振幅最大,将阻尼器安装于此时,大幅度摆动有利于阻尼器对能量的消耗,而高阶模态的振型趋于复杂,中间位置的振幅明显增大,所以将阻尼器安装在中间位置时,有利于对高阶模态进行减振消能。

2.7 分数阶导数理论模型对悬臂梁 -阻尼器 (阻尼器安装在悬臂梁 自由端)结构建立了分数阶导数理论模型,其振动方程/T-为:D 2, ( )2w,c,D ( ):0。其中,W, / ,c, ,等效质量Mpabh,等效刚度V H III/W rL],K 3,c为分数阻尼器比例系数,P为材料密度,0为悬臂梁长度,b为悬臂梁宽度,h为悬臂梁深度,E 3材料弹性模量,, 为悬臂梁横截面惯性矩。

1在计算中,取 a0.3 m,b0.025 1TI,h:0.004 m,P7.8×10 kg·m~,材料弹性模量 E1.75 X 10 Pa。 对某-组参数,可得结构在阻尼器作用下自由振动的衰减过程模拟图如图 1所示。

3 结语A组参数:步长h0.001 s,总时长t1 s,总步数n1 000,导数的分数阶r0.8B组参数:步长 h0.000 75 s,总时长t1.3 8,总步数n2600,导数的分数阶r0.8图1 结构在阻尼器作用下自由振动的衰减过程模拟图本课题组拟开发的颗灵质阻尼器是-种价格便宜、永久耐用、预期减振效果良好的有前途的阻尼88 东 莞 理 工 学 院 学 报 2013焦器。这种颗粒阻尼器若用于高层顶端减振,将对地震高发地区和沿海风灾频发地区的高层建筑的防振减灾工作带来裨益,具有潜在的极大社会效益和显著经济效益。在中国未来的城市化进程中,随着更多高层楼房的建造,这种基于颗粒减振设计的新技术,将有非常优越的应用价值和广阔的发展前景。

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