被动变阻尼装置设计方法与工程应用研究

史明妹，付伟庆,2,*，李 茂，贾国行

(1.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525；
2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266525；
3.荣华(青岛)建设科技有限公司，青岛 266426)

不同的结构类型以及结构所处地区具有不同的抗震和抗风标准，对此进行抗风和抗震的控制，需要根据其具体情况设置能够输出满足其要求的阻尼力，因此不同结构及地区对于阻尼器出力形式及大小也有不同的要求。被动变阻尼装置具有输出可变阻尼力且不需外部能源的特点，设计制作的阻尼器变阻尼性能已被实验验证[1]。相关计算分析表明，该装置可以很好地应用于结构对地震和风荷载振动控制[2-3]。被动变阻尼装置和构造如图1和图2所示。

图1 被动变阻尼装置

图2 被动变阻尼装置构造

本文通过对被动变阻尼装置主要影响参数交叉孔形状、流入孔半径和长度、弹簧预压力及弹簧刚度对阻尼力的影响分析，得到各因素对阻尼力的影响关系。以此为基础提出被动变阻尼装置设计方法，最后通过一工程实例说明所提出设计方法的应用过程，证明了该方法的合理性及可行性。研究成果为被动变阻尼装置的工程应用提供了参考和指导。

1.1 装置节流阀模型

被动变阻尼装置主要由阻尼油缸、阻尼阀、单向阀和阻尼管道组成。其中，阻尼阀是被动变阻尼装置的主要出力构件，也是影响变阻尼的主要部分，为节省计算资源，有限元分析只对阻尼阀进行分析。由于阀座及阀芯固体对流体的影响较小，且弹簧对流体的作用可简化为作用在流体上的弹力，因此节流阀的模拟只对阻尼阀内的流体进行分析，又因模型的对称性以及流体流动的独立性，可将模型简化为1/4模型。图3为阻尼阀流体网格模型。

1.2 有限元计算分析

模拟采用计算流体动力学(CFD)的方法，由于动网格计算对计算机的要求比较高，因此为节省计算资源和时间，模拟采用准静态方法，将活动阀芯运动的瞬态问题转化为稳态分析。分析过程：将连续正弦入口速度分为若干点，给定入口不同速度，计算得到作用在活动阀芯上的流体力大小，然后通过流体力与弹簧力的平衡原则，计算得到活动阀芯的位置，最后利用ANSYS 进行参数化建模和分析[4-6]。计算过程可以概括为三步，计算过程流程如图4所示。

图4 计算分析过程

影响被动变阻尼装置阻尼出力大小和时程的主要因素有流入孔长度、流入孔半径、交叉孔形状以及活动阀芯的位移量，通过对被动变阻尼装置阻尼阀主要影响参数的计算分析，可得到各个参数对阻尼力的影响关系，为被动变阻尼装置设计提供参考依据。

2.1 交叉孔形状

被动变阻尼装置不同的交叉孔形状对装置出力过程具有明显的差异，根据多种交叉孔孔形在出力过程、阻尼力大小等因素建立阻尼阀交叉孔孔形出力库，被动变阻尼装置设计过程中根据出力要求选择合适的交叉孔孔形。图5为不同交叉孔孔形的出力过程。

由图5可以看出，在流入口速度相同的情况下，不同的交叉孔产生的阻尼力大小不同，且不同的交叉孔形状阻尼系数突变时的临界速度不同，表现为倒三角形和圆形突变速度较小，凸形、菱形、正三角形和矩形突变速度较大。

活动阀芯位移影响阻尼力产生趋势，各种交叉孔孔形在活动阀芯位移量较小时，出力过程均为线性，当活动阀芯位移到一定数值时，倒三角形交叉孔首先出现变阻尼的状态且阻尼系数突变较大，菱形和圆形交叉孔相对于倒三角形阻尼力变化较平缓，正三角形、矩形和凸形交叉孔阻尼力变化最平缓。

根据以上交叉孔孔形对阻尼力的影响，以阻尼系数变化剧烈、较平缓和平缓为区分，将交叉孔形状分为三类。表1为根据阻尼系数变化情况建立阻尼出力库。

表1 交叉孔形状影响阻尼出力库

2.2 弹簧预压力及弹簧刚度

弹簧预压力的值对变阻尼装置开启变阻尼的临界速度值具有重要影响，图6为弹簧预压力与刚度的影响曲线。

图6 弹簧预压力及刚度影响曲线

由图6可以看出，预压力每增加1 mm，变阻尼装置出力突变时的速度约增加0.5 m/s，速度越大，变阻尼装置的出力越大；
而弹簧刚度对变阻尼装置的影响主要体现在活动阀芯的位移上，弹簧刚度越小，相同的速度下，活动阀芯位移越大，交叉孔的面积越小，导致变阻尼装置的出力越大。

2.3 流入孔长度与半径

在交叉孔面积固定的情况下，流入孔长度及半径的大小决定被动变阻尼装置在黏滞阻尼阶段的出力大小，调整流入孔的长度及半径即可满足被动变阻尼装置在黏滞阻尼阶段的出力要求。图7为流入孔长度、半径与阻尼力的关系曲线。

图7 流入孔长度、半径与阻尼力的关系

从图7可以看出，在黏滞阻尼阶段，随着流入孔长度的增加，阻尼力增加，阻尼力与流入孔长度之间的变化基本呈线性变化。阻尼力与流入孔半径的关系表现为，随着流入孔半径的减小阻尼力增加，当流入孔半径大于2 mm时，阻尼力随着流入孔半径的变化比较平缓；
当流入孔半径小于2 mm时，阻尼力随着流入孔半径的变化比较明显。

2.4 交叉孔面积

初始交叉孔的面积值影响黏滞阻尼阶段以及被动变阻尼阶段的初始阻尼力的大小。图8为不同交叉孔孔形交叉孔面积与阻尼力的关系曲线。

由图8可以看出，在相同的入口速度下，不同交叉孔孔形阻尼系数突变时的交叉孔面积不同，表现为倒三角形交叉孔阻尼系数突变时的交叉孔面积较大，矩形、凸形、菱形、圆形阻尼系数突变时的交叉孔面积较小。

在阻尼出力方面，不同交叉孔孔形达到相同的阻尼力时所要求的交叉孔面积不同，表现为倒三角形交叉孔面积较大，矩形和圆形次之，凸形交叉孔面积较小，菱形面积最小。

在设计阻尼器过程中，选定交叉孔形状，即可根据以上规律初步预测交叉孔初始面积值。

针对以上影响阻尼器出力性能的设计参数，提出装置设计方法以满足工程应用需要[7-9]。

3.1 设计流程

通过对被动变阻尼装置的设计可以实现小震或小频率风振下黏滞阻尼器的效果；
当速度增大，黏滞阻尼器不能满足出力要求时，被动变阻尼装置发挥变阻尼的功能；
而当遇到极大速度情况时，被动变阻尼装置则被锁死，防止装置破坏。具体设计流程如图9所示，其中几个关键步骤将在下文中具体说明。

图9 被动变阻尼装置设计方法流程

被动变阻尼装置的设计主要包括两部分：油缸设计和阻尼阀的设计，其中阻尼阀的设计又根据活动阀芯是否有位移分为黏滞阻尼阶段设计和变阻尼阶段设计。

油缸设计部分：油缸的高度根据给定行程设计，设定油缸高度设计为行程值的4倍。

阻尼阀设计的黏滞阻尼阶段：首先根据给定的小速度vmin、小速度情况下要求达到的阻尼力以及图6、图7和图8预设弹簧预压力值、流入孔长度和半径以及交叉孔初始面积值，在速度vmin下进行阻尼力验算，根据阻尼出力的要求和计算得到的活动阀芯位移，从而确定流入孔长度和半径、交叉孔的初始面积值以及弹簧预压力值。

阻尼阀设计的变阻尼阶段：根据阻尼出力过程和vmax速度时要求的阻尼力值，在阻尼力出力库中选择交叉孔形状和调整交叉孔的长度使变阻尼装置在vmax速度下满足该速度下要求的出力过程和阻尼力值，此时可以确定交叉孔的具体参数以及得到vmax速度下活动阀芯的位移值x；
当速度达到极限速度vex时，调整活动阀芯的长度使阻尼阀恰好被锁死。根据弹簧预压力值和大速度下活动阀芯位移，公式F弹=F流即可确定弹簧刚度以及弹簧预压长度。

3.2 设计实例

某结构在小速度vmin为0.13 m/s时要求阻尼出力为60 kN，大速度vmax为0.25 m/s时要求阻尼出力为180 kN，当速度为0.5 m/s时，阻尼阀被锁死。结构最大行程为100 mm，阻尼出力变化剧烈。

设计过程如下：

3.2.1 油缸设计

根据给定要求行程hs为100 mm，得到油缸的高度为h0=4hs=400 mm，油缸其余尺寸按固定尺寸设置。

3.2.2 阻尼阀设计

3.2.2.1 黏滞阻尼阶段设计

1) 设定弹簧预压力为2.152 kN。

2) 设定活动阀芯长度为36 mm。

3) 设定流入孔长度为10 mm，流入孔半径为1.5 mm。

4) 选择菱形交叉孔，根据矩形交叉孔面积与阻尼力关系曲线，因此预设初始交叉孔面积为23.76 mm2。

5) 在以上设定参数下，利用有限元软件对在小速度vmin为0.13 m/s时进行阻尼出力模拟，得到该速度下阻尼器的阻尼力为61.138 kN，满足要求。图10为模拟结果。

图10 vmin下模拟结果

从图10中可以看出，被动变阻尼装置在该速度下阻尼力为61.138 kN，活动阀芯在该速度范围内没有移动，超过该速度活动阀芯开始移动，说明该要求下的流入孔长度、半径和弹簧预压力符合要求。

以上普通黏滞阻尼阶段设计结束，即可得到给定要求下装置尺寸值：弹簧预压力为2.152 kN，流入孔长度为10 mm，流入孔半径为1.5 mm。

3.2.2.2 变阻尼阶段设计

在完成阻尼阀黏滞阻尼阶段的设计后，可以在确定的阻尼阀参数下进行变阻尼阶段阻尼阀的设计，该设计阶段要求输出交叉孔的具体参数、弹簧刚度和预压长度以及活动阀芯的长度。

1) 正常变阻尼阶段：

①要求阻尼器输出阻尼力过程较剧烈，最大阻尼力要求较大，根据交叉孔形状出力库选择倒三角形交叉孔形状。

②根据阻尼阀在黏滞阻尼阶段设计得到的交叉孔初始面积23.76 mm2下，设置倒三角形交叉孔具体尺寸为：底8.64 mm×高5.5 mm。

③采用与黏滞阻尼阶段步骤5)相同的验算过程，验算阻尼器在大速度vmax为0.25 m/s时输出的阻尼力的值，得到该速度下的模拟结果如图11所示。

图11 vmax下模拟结果

由图11可以看出，在大速度0.25 m/s时，阻尼器在交叉孔尺寸为8.64 mm×5.5 mm时输出的阻尼力满足要求。

该速度下活动阀芯处所受流体力值为2832 N，活动阀芯满足阻尼力要求的位移为4.6 mm，根据公式F流=k·x，得到弹簧刚度值为615.65 N/mm。

2) 极限变阻尼阶段：当阻尼器输入极限速度0.5 m/s时，要求活动阀芯的长度正好能够使阻尼阀处于锁死状态，防止装置破坏。因此达到极限速度时，活动阀芯的位移根据交叉孔的尺寸应为5.5 mm，根据固定阀芯的长度计算得到活动阀芯的长度为50.6 mm-5.5 mm=45.1 mm。

最后，根据变阻尼阶段的设计，可以确定出装置可变尺寸，见表2。

表2 设计参数尺寸值

本文通过对影响被动变阻尼装置阻尼力输出的主要参数进行分析计算，给出了设计过程中有效出力的范围。在此基础上，提出了一种适合于被动变阻尼装置的工程设计方法，可根据具体需求设计出满足实际工况的被动变阻尼装置。通过对具体实例的分析，验证了该设计方法具有实际的可行性和有效性，该设计方法为被动变阻尼装置的工程应用打下了良好的基础。