应用形状记忆合金阻尼器的浮阀塔地震响应控制

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Equipment Manufacturing Technology No．9，2013应用形状记忆合金阻尼器的浮阀塔地震响应控制孙双双。袁 涛(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)摘 要：基于时间历程响应分析，通过 ANSYS有限元分析软件，模拟了浮阀塔在三种工况下的地震响应，对比了位移和速度随时间的变化曲线从而验证了形状记忆合金阻尼器的效果要好于普通阻尼器。

关键词：形状记忆合金阻尼器；浮阀塔；地震响应控制；有限元中图分类号：TQ53．5；TU352．1 文献标识码：B 文章编号：1672—545X(2013)09—0060—03塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。塔设备承受的载荷，除与一般压力容器承受相同的载荷外，还承受侧向载荷(如：地震载荷、重量载荷、偏心载荷等，其中，地震载荷属于动载荷)，此外，塔设备在动载荷作用下还会产生振动。

反应谱理论是塔设备防震设计校核的理论基础，但也只能给出塔设备各振型的最大值，而丢失与最大值有关且对振型组合又非常重要的信息，如最大值发生的时间以及正负号，使得各振型最大值的组合陷入困境，所以反应谱方法在实际分析中存在较大误差?。同时，《石油化工钢制设备抗震设计规范》[2】和《石油化工设备抗震鉴定标准》[3】中规定了数条塔式设备抗震构造具体措施，就2008年汶川地震来说，大批按标准要求设计建造的化工塔设备，还是出现了不同程度的损毁并造成严重的经济损失[41。因此，需要新的途径来对塔设备进行防震。

形状记忆合金(SMA—Shape Memory Aloy)是一种具有形状记忆效应和伪弹性效应的功能材料，已应用到机械和电子、航空航天、医疗、纺织、生活用品等诸多领域。近年来，随着材料加工技术和工业化生产能力的提高，形状记忆合金因其独特的力学性能在土木工程防灾减灾领域得到了广泛的研究和应用 。

形状记忆合金制成的振动被动控制装置 ，如SMA阻尼器，不仅可以发挥 SMA的优势，而且可以改善传统阻尼器的缺陷，但 SMA阻尼器多用于土木框架结构，在塔设备上的应用偏少。将 SMA阻尼器推广应用到塔设备上，可以为塔设备的防震提供新的途径。

本文采用 ANSYS软件，采用文献【7】中的 SMA阻尼器，对文献[8]给出的等直径浮阀塔进行基于时程响应理论的地震响应分析，对比三种工况(无阻尼器 ，安装普通阻尼器，安装 SMA阻尼器 )下浮阀塔中部的位移和速度响应，为塔设备的振动被动控制提供新的参考。

1 浮阀塔建模及阻尼器的参数和安装浮阀塔采用3c~81的结构尺寸，塔高为73 300 mm，人孔高度为 l 000 mm，裙座高度为 3 800 mm，直径为2 400 mm，壁厚 24 mm。建立的模型如图 1所示。

图 1 浮 阀塔模型本文所研究的浮阀塔，由于高径比大于 30，故将其置于框架内并安装塔箍，结合文献【9]，安装顶箍来减少框架内塔体的应力和挠度。由于框架的弯曲刚度很大，可以近似地将塔体作为底部固定和顶部铰支的梁结构。在地震作用下，塔体的各振型同时出现，但由于高振型衰减较快且对塔体的应力影响较小，故忽略不计，只考虑第一阶振型的作用。

普通双出杆粘滞阻尼器具有刚度较小 ，阻尼力大的优点，已得到广泛的应用，但由于粘滞阻尼器的阻尼力与速度有关，所以其在低频的激励下对结构的阻尼特性提高并不明显，低频的疲劳破坏成为结构的隐患。并且，当结构振动过后，因为消能构件的破损，收稿日期：2013-06—03基金项目：山东省高等学校科技计划项 目(编号：J13LB08)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项 目(编号 ：BS2OIOCLO16)作者简介：孙双双(1971一 )，女，山东青岛人，工学博士，副教授 ，研究方向为智能材料与结构。

《装备制造技术}2013年第9期在对结构维修加固过程中，对耗能构件是否能继续正常工作无法给予正确的判定。为克服上述缺点，文献【7】基于普通双出杆粘滞阻尼器，设计了一种 SMA粘滞阻尼器。表 1给出了普通阻尼器和SMA阻尼器的参数。

表 1 普通阻尼器和 SMA阻尼器参数等效刚度(kN·mm- I单位循环耗能(kN·mm一-) 等效阻尼比(％)普通阻尼器 0．82 345．06 32．1lSMA阻尼器 1．47 634．72 46．52然而即使安装了顶箍 ，由于框架和塔体在地震中属于一体，框架和塔体相互影响，而且在地震波(天津宁河波 )作用下，塔顶部仍有微小位移，而中部的位移就很大。因此，可以考虑将阻尼器安装到塔中部 ，通过阻尼器连接框架和塔体 ，这样 ，不需要更改设备结构，只需在原结构上安装阻尼器即可。而且 ，由于阻尼器的存在，在振动中耗能，最大程度减少在框架和塔体的相互影响。阻尼器的安装如图 2所示。

广f图2 阻尼器的安装位置示意图2 基于时程响应理论的浮阀塔地震响应分析2．1 时程响应理论时程响应理论的分析方法是选取 比较具有代表性的天然或人造的地震波，作为加速度曲线直接输入结构的动力方程，求解结构振动时的位移。选取原则一般应同时符合地震动三要素：地震动强度、地震动谱特征和地震动持续时间。这种方法可以直接获得地震过程中结构各时刻的变形及内力 ，以及节点的位移 、速度和加速度随时间变化的曲线，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。同时，时间历程响应理论还可以进行非线性的动力学性能分析，弥补了反应谱理论的缺陷和不足。因此，时间历程响应法是能够真实地反映地震载荷的动态作用的抗震分析方法。

本文通过时程响应理论进行地震响应的瞬态动力学分析，结构在地震作用下的动力方程为：MX+CX+KX=F(t) (1)式中，，c，K分别为质量 、阻尼、刚度矩阵；为位移列阵；t)为施加到结构上的载荷。

分析时的输入变量是地震加速度列阵A(f)，有t)=MA( ) (2)通常地震波的记录一般由 3个方向的加速度记录组成 ：东西、南北和上下。故加速度矩阵 (￡)由 3个分量的加速度数列 (￡)组成，即：fax(t)1A( )=1 ay(t)l (3){ l【Ot~(t)J由于并不存在两条完全相同的地震数据，因此，在进行抗震设计分析时，选取有代表性的天然地震波记录。由于该浮阀塔的抗震设防烈度为 8度，设计基本地震加速度为 O．2 g(g为重力加速度)，设计地震分组为第二组，场地土类型为Ⅲ类，地面粗糙度为 B类 ，故选取 1976年记录的天津宁河波 ，取 19 s的数据，从记录值中每隔0．1 S取一个值，共 190个，将水平加速度和竖 向加速度数据分别写入文件，通过APDL循环命令读人[1o1。

分别在三种工况(无阻尼器、安装普通阻尼器、安装 SMA阻尼器)下对浮阀塔进行基于时程响应理论的地震响应分析。

分析过程命令流如下：／S【)LUANTYPE，4 1指定瞬态动力学分析TRNOPT，FULL !采用完全分析法*DO，T，1，1 90，1 1循环读人地震数据并求解TIME，0．1 T !设置时间步KBC，0 1指定载荷为递增载荷NSUB，1 1设定子步数为 lALPHAD，0．05 1设定质量阻尼为 0．05BETAD，0．01 1设定刚度阻尼为0．01ACEL，tax(2，T)，tay(2，T)!设定 X、Y方向加速度AIJLS !全部选择SOLVE !求解ENDD02．2有限元模拟结果对比分析利用ANSYS，计算浮阀塔的前三阶自振频率，分别为 0．288 7 Hz，1．797 2 Hz和4．960 7 Hz；文献[8]计算的前三阶自振频率为 0．268 9 Hz，1．665 3 Hz和4．6168 Hz；本文的计算结果与文献结果相近，以此为基础可以进行上述时间历程响应分析。

利用 ANSYS时问历程后处理器，可以提取和绘61Equipment Manufacturing Technology No．9．20l3制塔中部位置的位移和速度随时间变化的曲线。图 3是塔中部 x方向的时间 一位移曲线对比。在未加SMA阻尼器时，浮阀塔中部 x方向的最大位移发生在第7．68 S，最大位移值为一0．029 2 m；当加普通阻尼器和 SMA阻尼器后，浮阀塔中部 x方向的最大位移发生在第 7．76 S，最大位移值分别为 一0．O15 9 m和一 0．013 2 m。在地震波加载结束时，即第 19 S时刻，未加阻尼器的塔中部仍有一0．003 8 m的残余位移，而加普通阻尼器和SMA阻尼器后，残余位移分别为一 0．001 2 m和一0．000 9 m，残余位移的绝对值减小了68．42％和 76．31％。在整个加载区间内，相比于没有加尼器的情况，加阻尼器的位移衰减十分明显，而在最大位移值处和残余位移值上，SMA阻尼器效果要好于普通阻尼器。

、 ～ ：日●鼽图 3 塔中部 ×方向的时间 一位移曲线对比H ^
图 4 塔中部 ×方向的时间一速度曲线对比图 4是塔中部 x方向的时间 一速度曲线对比。

未加阻尼器时，浮阀塔中部X方向的最大速度发生在第 lO．20 S，最大速度值为 一O．228 0 m／s；加普通阻尼器和 SMA阻尼器后，浮阀塔中部 X方向的最大速度值发生在第9．9 S，最大位移值分别为0．094 9 m／s和0．079 7 rn／s。在地震波加载结束时，即第 19 s时刻 ，未加阻尼器的塔中部仍有 一0．110 9 m／s的残余速度，而加普通阻尼器和SMA阻尼器后，残余速度分别为一0．8490e一2 m／s和 一0．339 1e一2 m／s，残余速度的绝对值减小了 92．34％和 96．94％。在整个加载区间内，相比于没有加阻尼器的情况，加阻尼器的速度衰减十分明显，而在最大速度值处和残余速度值上，SMA阻尼器效果要好于普通阻尼器。

3 结束语利用 ANSYS对浮阀塔的振动进行了 SMA阻尼器被动控制的研究。对浮阀塔施加天津宁河地震波，编写 APDL语言，对比了三种工况(无阻尼器，安装普通阻尼器，安装 SMA阻尼器)下浮阀塔中部的位移和速度响应，说明在安装阻尼器后，浮阀塔中部位移和速度衰减明显，SMA阻尼器的被动控制效果要好于普通阻尼器。利用 SMA阻尼器对浮阀塔进行地震响应控制 ，效果明显，可以推广到其他化工塔设备的地震响应控制中。

参考文献：?1马宇山，金 涛，刘金玲．基于 ANSYS的吸附塔地震响应分析Ⅲ．设计计算，2009(9)：21—26.

【2】GB50761—2012，石油化工钢制设备抗震设计规范[s】.

[3】SHFF3001—2005，石油化工设备抗震鉴定标准[s].

14J中国石油化工集团公司工程抗震振动技术中心站．汶川地震考察报告【R】．2008.

【5]任文杰，李栖桐，等．基于形状记忆合金 x形板阻尼器的结构振动控制【J1．河北工业大学学报，201 1，40(1)：93—96.

【6]陈水生，马涌泉．SRB与 LRB隔震连续桥地震响应对比研究『J1．北京理工大学学报，2012，32(4)：358—363.

【7】刘海卿，王学庆，等．应用 SMA阻尼器的巨型框架悬挂结构减震分析[J1．武汉理工大学学报，2010，32(9)：111-114.

[8]JB／T 4710—2005，钢制塔式容器【S】.

[9]沈 宏．带顶箍的塔设备简化设计计算法 化工生产与技术，1994(1)：39—45.

【10]伟 炜 ，高炳军 ，陈洪军，等．ANSYS在机械与化工装备中的应用[M】．北京：中国水利水电出版社，2007.

Seismic Response Control of Valve Tray Column with Shape Memory Aloy DamperSUN Shuang-shuang，YUAN Tao(Colege of Electro-mechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 26606 1，China)Abstract：Based on time history analysis theory，valve tray column under three conditions are simulated through finiteelement analysis software ANSYS，changing curves of displace—time and velocity—time are compared also．It isconfirmed that the efect of Shape Memory A1oy(SMA)damper is beter than normal damper.

Key words：SMA damper；valve tray column；seismic response control；finite element analysis62