（机械制造及其自动化专业论文）反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究.pdf

d e s i g na n de n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m o ft h e f e e d b a c kc o n t r o l l e df r i c t i o nd a m p e r b y l i ux u ek 撕 u n d e rt h es u p e r v i s i o no f z h a od o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文储虢妇学射日期：必畸多闰7 臼 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名翔学物ut s - n i 签g , ：a 乏象日期：必，力尹6 目7 臼 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 减振方法及常用耗能装置研究现状2 1 2 1 常用振动控制方法2 1 2 2 耗能装置研究现状一4 1 3 摩擦阻尼器耗能机理及影响因素研究6 1 3 1 基本理论6 1 3 2 摩擦阻尼器模型一6 1 3 3 摩擦阻尼器性能试验研究7 1 4 摩擦耗能器在半主动控制中的应用8 1 4 1 振动控制应用研究一8 1 4 2 阻尼器反馈控制方法研究一8 1 5 课题主要研究内容9 1 6 本章小结1 0 第二章反馈控制摩擦阻尼器设计1 1 2 1 反馈控制摩擦阻尼器结构设计1 1 2 2 反馈控制摩擦阻尼器工作原理1 2 2 3 阻尼器关键部件设计及分析13 2 3 1 活塞体设计13 2 3 2 外壳体设计l5 2 3 3 增压气室设计16 2 3 4 作动杆设计17 2 3 5 活塞销设计17 2 4 本章小结18 第三章反馈控制摩擦阻尼器耗能性能及参数分析1 9 3 1 恢复力模型1 9 3 2 静态耗能性能研究2 0 3 3 动态耗能性能研究2 1 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 3 4 耗能性能理论分析2 4 3 5 阻尼器性能影响参数研究2 7 3 5 1 增压气室初始状态的影响2 7 3 5 2 作动杆参数对阻尼器性能的影响2 8 3 6 本章小结一2 8 第四章阻尼器性能仿真分析一2 9 4 1 反馈控制一增力性能仿真分析2 9 4 1 1 油液一增压气室有限元模型2 9 4 1 2 油液一增压气室仿真分析一3 0 4 2 反馈控制摩擦阻尼器阻尼力仿真分析3l 4 2 1 阻尼器有限元模型31 4 2 2 阻尼力仿真分析3 2 4 3 本章小结3 4 第五章 反馈控制摩擦阻尼器试验研究一3 5 5 1 样机设计制造3 5 5 2 试验装置3 5 5 3 试验方案3 6 5 3 1 阻尼器静态性能试验3 7 5 3 2 动态性能试验3 9 5 3 3 试验结果对比4 1 5 2 4 动态性能正交试验4 3 5 4 试验数据结果分析4 3 5 5 本章小结4 6 第六章结论与展望一4 7 6 1 结论4 7 6 2 展望。4 8 参考文献一4 9 致谢5 3 附录5 5 济南人学硕士学位论文 摘要 振动是常见的物理现象，剧烈振动会造成建筑、机械等结构的部分或整体的损坏。 振动已成为影响机械结构性能、可靠性以及使用寿命的重要因素。为保证建筑结构、机 械设备等的正常运行，振动控制己成为设计工作中重要的考虑因素。 在机械结构中安装耗能装置可以实现振动的有效控制。在常用耗能装置中，摩擦阻 尼器是常用耗能结构，具有耗能减振效果好、价格低廉、取材方便，应用广泛等优点。 但该技术发展中面临一些问题：一是摩擦阻尼器的阻尼力单一、调节范围小；二是阻尼 器多为被动控制，阻尼力不能有效利用振源信号进行控制而发挥更好的控制振动效果。 为使摩擦阻尼器能够利用振源信号调整阻尼力，使其获得更理想的耗能减振效果，本文 将库伦摩擦模型、半主动控制等理论结合，设计一种反馈控制摩擦阻尼器，并对其耗能 机理进行研究。 课题研究的反馈控制摩擦阻尼器利用被控结构振动位移信号进行阻尼力反馈控制， 使其耗能能力随振动剧烈程度进行自动调整，得到最好的减振效果。本文首先进行了反 馈控制摩擦阻尼器的结构设计；然后根据阻尼器增力作用原理和库伦摩擦理论建立了阻 尼器数学模型，采用数值计算、有限元仿真的方法，研究了该阻尼器的增力性能和耗能 机理；最后，分别对阻尼器进行静态、动态耗能性能试验研究。 第一、设计一种结构合理，耗能性能良好的反馈控制摩擦阻尼器。该阻尼器利用被 控结构的位移反馈信号进行内部压力调控，实现输出阻尼力随被控结构振动剧烈程度而 调整。对新型阻尼器的关键部件进行强度、刚度分析，提高结构安全性和可靠性。 第二、根据反馈控制摩擦阻尼器作动原理，结合油液增压气室和库伦模型建立数 学模型。使用m a t l a b 数值分析软件进行数值仿真分析，研究作动杆直径、增压气室初 始体积、初始压力等参数对阻尼器耗能性能的影响。在此基础上，得到阻尼器理论力 位移滞回曲线。 第三、对影响反馈控制摩擦阻尼器性能的油液增压气室、作动杆结构及尺寸进行 有限元流固耦合仿真分析，得到内部流体压力变化对输出阻尼力的影响，得到阻尼器仿 真力位移滞回曲线。除此之外，分析内部流体压力变化对作动杆输出抗力的影响。该 抗力对输出阻尼力具有重要影响。对阻尼器加载不同频率和振幅的振动信号，研究被控 结构振动变化对阻尼器输出阻尼力的影响。 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 第四、依据上述理论和仿真分析结果，设计、制造阻尼器的样机进行阻尼器耗能性 能静态、动态试验。将试验结果与理论、仿真分析结果进行对比，验证阻尼器耗能机理 的正确性。依照实验结果，修正理论和仿真分析模型，提高分析的准确。 关键词：振动控制；摩擦阻尼器；反馈控制；耗能机理 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o ni sac o m m o np h y s i c a lp h e n o m e n o ni nc o n s t r u c t i o n ，m a c h i n e r ya n de q u i p m e n t t h es e v e r ev i b r a t i o nm a yc a u s ed a m a g et op a r to rt h ew h o l es t r u c t u r e v i b r a t i o nw i l lr e s t r i c t t h ed y n a m i cp r o p e r t i e s ，r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e t i m eo ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e t oe n s u r e t h en o r m a lo p e r a t i o no fe q u i p m e n t so rs t r u c t u r e s ，v i b r a t i o nc o n t r o lh a sb e c o m eo n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o r si nt h es t r u c t u r ed e s i g n i n s t a l l a t i o no ft h ee n e r g yd i s s i p a t o ri nt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ec a nc o n t r o li t sv i b r a t i o n e f f e c t i v e l yt h ef r i c t i o nd a m p e rh a sl o wp r i c e ，w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ，e a s i l yo b t a i n e d a d v a n t a g e sb e s i d eo fe x c e l l e n te n e r g yd i s s i p a t i o nc h a r a c t e r i s t i c b u tt h ed e v e l o p m e n to ft h e f r i c t i o nd a m p e ri sf a c i n gaf e wd i f f i c u l tp r o b l e m s ，s u c ha si t sd a m p i n gf o r c ei ss i n g l ew i t h s m a l la d j u s t m e n tr a n g e ；a n di t se n e r g yd i s s i p a t i o nc a p a c i t yc o u l dn o tv a r yw i t ht h ec h a n g eo f v i b r a t i o ns o u r c e t om a k eu s eo ft h ev i b r a t i o ns o u r c ef o ri m p r o v i n gt h ed a m p e r s a n t i v i b r a t i o ne f f e c t s ，t h es t r u c t u r eo ft h ef e e d b a c k c o n t r o l l e df r i c t i o nd a m p e ri sd e s i g n e d b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h ec o l u m nf r i c t i o nm o d e la n ds e m i - a c t i v ec o n t r o lt h e o r y ，i t s e n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ef e e d b a c k f r i c t i o nd a m p e ri sc o n t r o l l e db yt h ef e e d b a c ks i g n a lo ft h ev i b r a t i o n s t r u c t u r ed i s p l a c e m e n t t os t u d yi t se n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m ，t h es t r u c t u r eo ft h e d a m p e ri sd e s i g n e d ，a n di t se n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s mi s s t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n df e a a tl a s t ，s o m ee x p e r i m e n t so nt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e n e wd a m p e rh a v eb e e n d o n ei nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h e f e e d b a c k - c o n t r o l l e df r i c t i o nd a m p e r ，w h i c hc a nu s et h ev i b r a t i o n d i s p l a c e m e n to ft h ev i b r a t i o nc o n t r o l l e ds t r u c t u r ea sf e e d b a c kc o n t r o ls i g n a l ，w i t hr a t i o n a l s t r u c t u r ea n dg o o de n e r g yd i s s i p a t i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ea d j u s t m e n to ft h e f l u i dp r e s s u r ei nt h ed a m p e r ，i t sd a m p i n gf o r c ec o u l dc h a n g ew i t ht h ev a r i a t i o no ft h e v i b r a t i o ns i g n a l i nt h ed e s i g no ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ed a m p e r ，t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s s a n a l y s e so ft h e mh a v eb e e nf i n i s h e d ，w h i c hi st oe n s u r et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h en e w s t r u c t u r e s e c o n d l y ，b a s e do nt h ew o r kp r i n c i p a lo ft h ed a m p e ra n dt h ec o l u m nm o d e lt h e o r y ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef e e d b a c k c o n t r o l l e df r i c t i o nd a m p e rh a sb e e nb u i l t u s em a t l a bt o v 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 s i m u l a t ei t sw o r kp r o c e s s ，a n dt os t u d yt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fe n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m ， w h i c hi n c l u d e st h er o dd i a m e t e r ，i n i t i a lv o l u m ea n d p r e s s u r eo ft h eg a sc h a m b e r f i n a l l y ，t h e t h e o r e t i c a lf o r c e - d i s p l a c e m e n t h y s t e r e s i sc u r v ei sg a i n e di nt h i sp a p e r t h i r d l y ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h eo i l - p r e s s u r i z e dg a sc h a m b e ra n dr o ds t r u c t u r e h a sb e e nd o n e ，w h i c hg e t st h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i dp r e s s u r et oi t sd a m p i n gf o r c e i na d d i t i o n ， t h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i dp r e s s u r et ot h ea n t i f o r c eo ft h er o di ss i m u l a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo f t h ev i b r a t i o nc o n t r o l l e ds t r u c t u r es i g n a lt oi t se n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s mi ss t u d i e dt h r o u g h c h a n g i n gt h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fv i b r a t i o ns o u r c e f o u r t h l y ，a c c o r d i n gt ot h ew o r kp r i n c i p a lo ft h ed a m p e r ，at e s tp r o t o t y p ew i t hr a t i o n a l p a r a m e t e r si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c hi st os t u d ys t a t i ca n dd y n a m i ce n e r g y d i s s i p a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ed a m p e r f i n a l l y ，t h et h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hi st om o d i f ya n dt oi m p r o v et h et h e o r e t i c a la n d s i m u l a t i o na n a l y s i sa c c u r a c y k e yw o r d s ：v i b r a t i o nc o n t r o l ；f r i c t i o nd a m p e r ；f e e d b a c k c o n t r o l l e df r i c t i o nd a m p e r ； e n e r g yd i s s i p a t i o nm e c h a n i s m v i 济南大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 振动是一种广泛存在的物理现象，特别是在复杂环境下工作的机械设备、建筑物等， 振动现象不可避免。振动已成为限制机械性能、可靠性和寿命的重要因素，在设计和使 用中，振动控制是重点考虑的因素之一。 振动控制不仅在建筑防震工程中有着重要应用，在海洋平台、制造加工机械工作也 有着重大意义【卜2 】。对于地震这种自然界中不可避免的灾害现象，结构防震、抗震是对 抗这种剧烈振动的常用方法。建筑结构防震不仅是为了保护物质财产，更重要的是保护 人身安全。对于海洋平台、高速冲床这类结构和设备，振动控制的需求更是紧迫。海洋 平台在风载、冰载以及地震等多种载荷的联合影响下，振动情况多变复杂，难以预测， 控制困难：高速冲床在冲压零件时，零件的多样化决定了冲压过程中的频率、振幅多变 振动的产生，控制更加困难。剧烈的振动不仅对结构本身造成严重的危害，还会容易诱 发事故，严重影响工作人员的健康。因此，振动控制成为提高机械设备生产率，提高结 构寿命，保护人身安全的重要措施。 耗能减振是当今主要的振动控制手段3 1 。在振动结构上设置一定数量的减振构件以消 耗被控结构振动产生的能量，减少结构的振动响应。应用不同的耗能机理，耗能减振装 置发展多样，适用于减振能力多样需求，主要分为粘滞阻尼器、摩擦阻尼器、金属阻尼 器、粘弹性阻尼器等。为获得更优良的减振控制能力，工程中常采用不同种类的阻尼器 综合作用。 摩擦阻尼器相比其他类型具有结构简单、性能稳定、成本低廉的优势，因而在振动 控制工程中得到广泛的应用。将摩擦阻尼器根据被控结构振动信号调整阻尼力，应用于 半主动控制中来解决振动工况多变的振动控制问题，提高振动控制效果和应用场合，是 未来振动控制的研究趋势。 本课题设计研究一种利用被控结构振动位移信号反馈控制阻尼力的大小，使摩擦阻 尼器的耗能能力随着被控结构振动工况调整，以获得良好的减振能力。本研究将利用被 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 控结构振动信号作为控制阻尼力大小的控制信号，并使用振源作为增力的动力，不需要 额外的能源获得半主动控制效果，使摩擦阻尼器在不同使用工况能保持良好的耗能能 力。 1 2 减振方法及常用耗能装置研究现状 1 2 1 常用振动控制方法 根据不同外部能源输入情况，振动控制方法主要分为：主动控制、被动控制、半主 动控制以及混合控制【4 1 。振动控制方式的选择不同，其减振能力、制造成本、适用领域 也不同，实际减振工程中需综合考虑以上因素。 被动控制是无源控制，是通过改变自身结构动力特性，不需要外部能量输入达到减 振控制效果。主要方法为在某个部位安装附加子系统，或改变结构自身动力特性，主要 方式有基础隔振、吸振减振、耗能减振。 l ih o n g n a n = 层建筑物模型上安装t l d 减振系统，对系统加载地震波，利用t l d 内 部油液的体积变化来改变振动质量，理论、实验规律吻合较好【5 1 。张耀庭研究了四层钢 框架结构，通过薄的橡胶轴承跟顶层的主结构相连接，两者共同组成巨型t m d 减振系统， 研究表明t m d 减振系统对结构顶层减振效果优良 6 1 。初大勇针对高层建筑结构的振动控 制，通过对高层结构加装减震耗能装置，研究耗能装置对结构楼板振动状态的影响，研 究表明该建筑物顶层的减振耗能系统可有效减小建筑结构的振动响应，减振效果优良【”。 图1 1 主动控制原理框图 主动控制属于有源控制，通过一种需要消耗能量的作动机构实现。主动控制利用传 感器实时监测外部输入信号，将所跟踪信号传送至控制器，根据一定的控制律发出指令， 控制作动器改变减振力 8 ，其工作原理如图( 1 1 ) 所示。 济南大学硕士学位论文 美国j t p y a o 于1 9 7 2 年首先提出结构主动控制方法，在结构的适当位置设置作动器 拖动附加质量块( a m d ，a c t i v em a s sd a m p e r ) ，利用质量块的振动作用实现抑制结构 总体振动的效果，在工程领域已广泛应用该技术1 9 - 1 0 。朱海霞应用振动主动控制方法对 驱动器的振动系统进行减振控制，设计实验验证主动控制系统对于减振控制的可行性 1 1 】 o 混合控制是综合被动控制、主动控制减振系统的优点，综合两种控制策略在同一结 构中工作，相比单种方法具有更好的振动控制效果。目前以被动控制为主要减振方法， 主动控制为辅助的方式。混合控制发展至今，已形成多种不同的较为成熟组合：主动控 制、被动控制组合减振系统；a m d 与t m d 组合减振系统；主动控制、被动基础隔振组 合等多样的的混合控制【1 2 - 1 3 1 。 蔡国平针对建筑结构振动控制情况，给出混合控制方法的优化控制算法，研究结果 显示混合控制方法在建筑结构的应用中，振动控制能力优良，比被动控制策略具有优势， 且容易同其它组合形式综合控制 1 钔。郭惠勇对由库伦摩擦滑移型基础隔震结构构建的混 合振动控制系统进行数值仿真研究，并运用变结构趋近律方法得出控制律表达式，结论 证明该混合控制对于结构楼层减振效果良好 15 1 。 半主动控制是通过某些控制机构对减振结构的调整作用，使其内部参数改变，使减 振控制能力具有最优状态。目前半主动控制方法通常选择以被动控制方法为耗能主体、 主动控制方法为辅助耗能，该方法综合了两种方法的优点，具有被动控制系统的可靠性、 主动控制系统优良的适应性。半主动控制结构简单，由无源可控的阻尼器组成，减振控 制效果接近主动控制方法，应用前景广泛 1 刚。半主动控制发展多样，根据作动原理的不 同，主要分为主动变阻尼控制系统、半主动隔振系统、主动变刚度控制系统和主动变刚 度变阻尼控制系统等种类。 半主动控制是无源控制，通常是由单个或多个阻尼元件构成，结构是通过参数控制 实现减振控制。该控制方法通过结构对振源的反应信号或载荷信息实时改变阻尼力，功 能实现不需复杂控制器的运算和外部能源，半主动控制的优良特性得到了广泛研究。当 前主要为主要有变刚度和变阻尼两种【1 7 】。 日本学者k o b o r i 等根据结构主动变刚度控制方法，设计并将主动变刚度系统( a v s ) 应用于东京鹿岛技术研究所大楼，效果良好，如图( 1 2 ) 所示。 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 粱 图1 2 主动变刚度系统( a v s ) 能量消散约束装置( e d r ) 是一种减振效果良好的新型阻尼器，可实现加载和卸载 过程为系统提供不同刚度。随着需求的多样化，该类型阻尼器结构得到不断改进和优化 1 8 - 1 9 】。s y m a n 和c o n s t a n t i n o u s 等研发了一种新型粘滞流体变阻尼器，活塞体同缸体在外 部振源作用下产生相对运动，油液在活塞的作用下通过旁路和节流阀腔体转移，旁路和 液压阀的压力损失产生阻尼力，阻尼力可通过改变节流阀调整，如图( 1 3 ) 。 电液伺服阀 【xl 弋y 活菱 液压缸 夕 油液 油液 l l i i 图1 3 司变阻尼器装置 我国学者对应用前景广阔的半主动控制进行了大量的实验和理论研究，证明了半主 动控制的有效性和高效性【2 0 。2 1 1 。胡海岩等利用半主动控制方法对分段线性吸振器进行研 究，弹性元件的间隙调整使吸振器工作频率同振源作动频率适应，结果表明该研究获得 良好的减振效果和较大的工作频带【2 2 1 。李敏霞等研究一种非线性阻尼变刚度半主动控制 系统，并在五层钢框架的底层完成振动性能试验，研究表明该半主动控制系统显著提高 了结构的抗振能力【2 3 】。 1 2 2 耗能装置研究现状 国内外研究人员对耗能机理不同的减振装置做了广泛研究，取得了大量有意义的研 4 济南大学硕士学位论文 究成果。有的耗能器的耗能特性主要与耗能器两端的相对位移有关，金属耗能器、摩擦 耗能器均属于位移相关型耗能器：有的阻尼器耗能特性主要与耗能器两端的相对速度有 关，粘弹性耗能器、粘滞耗能器均属于速度相关型耗能器。多种耗能机制的组合应用， 可实现具有不同耗能机理的减振机构。 金属屈服耗能器是利用不同的金属材料特性而制作，具有良好的稳定性、低周疲劳， 而且该类耗能器滞回曲线呈纺锤形、循环次数及加载频率影h i n d , ，近些年得到国内外研 究人员的广泛关注。周云对双环阻尼器进行研究，通过对其加载循环试验得出其恢复力 模型，结果表明该阻尼器耗能减振能力稳定、减振抗振能力可调【2 引。邢书涛、郭迅研发 了一种新型软刚阻尼器，并研究了该阻尼器的力学性能和耗能减振机理，用试验方法得 出其恢复力模型、特征参数表达式、疲劳验算式，研究结果表明该阻尼器减振效果优良 2 5 - 2 6 o 粘弹性耗能器是利用外部振源造成粘弹性材料的拉压变形、剪切变形，实现耗能减 振功能。温度、作动频率、应变幅值等因素对其性能影响较大，近年来得到国内外学者 的广泛研究【2 7 】。 粘滞阻尼器是利用流体通过节流孔时产生粘滞阻力减振耗能，其结构较为简单，滞 回曲线为饱满的椭圆形【2 8 。2 9 1 。该类阻尼器的阻尼力与相位差9 0 度，应用范围广泛，且不 影响主体结构刚度。汤昱川、张玉良等基于结构空间杆系模型，经过理论分析及仿真研 究，用具体算例验证粘滞阻尼器具有良好的减振效果【3 。t z u y i n gl e e 矛h k a z u h i k o k s w a s h i m a 应用可变粘滞阻尼器对非线性隔振桥梁进行地震响应分析，并将综合利用 l q r 最优控制算法，研究结果显示半主动控制系统对桥梁防震、抗震非常有划3 2 1 。 摩擦阻尼器是一种耗能能力强、性能稳定的耗能减振装置，主要金属机械结构、摩 擦片组成，摩擦面问在一定的预紧力下相对滑动摩擦，耗散振动系统能量。摩擦阻尼器 具有较好的库仑特性，可为振动系统提供较大的附加阻尼，构造简单、取材容易、制作 方便，具有很好的应用前景3 3 。5 1 。各国研究人员已成功开发了多种材料、摩擦介质和机 械组合方式的摩擦阻尼器。f i l i a t r a u l t 、a i k e n 对支撑框架应用摩擦阻尼器进行抗震试验， 证明装有摩擦耗能装置的结构比传统的抗弯框架和无支撑框架振动控制效果优良，这种 摩擦阻尼器在加拿大5 座建筑中已得到成功应用【36 l 。e i j is a t o 将压电作动器应用于半主动 可控摩擦阻尼器，该方法解决了阻尼器在强震容易引发的失效问题，压电作动器灵敏性 高，控制精确，通过理论计算分析，并设计激振试验证明该可控摩擦阻尼器系统具有优 良的耗能能力，响应快速准确【37 i 。 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 1 3 摩擦阻尼器耗能机理及影响因素研究 摩擦阻尼器是位移相关型阻尼器，耗能面相对运动速度对阻尼一- 1 。工4 - 厶匕月匕影响较小。研究 中，利用阻尼器位移特点，使用力一位移的滞回关系描述摩擦阻尼器的恢复力模型【3 8 。4 1 1 。 恢复力模型通过增加作用在结构上的力或位移得到，加载一个周期滞回曲线所包含的面 积即为摩擦耗能器在该过程所消耗能量。 1 3 1 基本理论 经典的干燥摩擦库伦摩擦理论提出以下假设：摩擦力大小与摩擦面积无关；摩擦力 大小与摩擦面正压力成正比关系；摩擦副相对速度低时，总摩擦力与速度无关。库伦摩 擦理论是宏观描述对摩擦阻尼器耗能特性，尤其是适用某一给定摩擦材料且其摩擦系数 为常数的阻尼器 4 2 - 4 3 】。根据以上假设，可得出物体即将滑动或滑动中，摩擦力符合式 ( 1 1 ) 。 f = x n ( 1 1 ) 式中，为摩擦阻尼力，力的方向沿接触面切向且与运动方向相反；表示摩擦副 法向正压力；表示摩擦系数，分为静摩擦系数胁、动摩擦系数女。 1 3 2 摩擦阻尼器模型 摩擦阻尼器力位移曲线多呈矩形。摩擦元件处于滑动、附着阶段时，阻尼力理论 值和实验值存在偏差，研究中需根据摩擦元件所处于的滑动或附着的不同阶段而采用不 同方程。 研究人员通过使用摩擦阻尼器的近似库伦模型模拟其力速度关系，减小计算结果 同实验的误差，目前摩擦阻尼力研究方法多为等效阻尼、等效线性方法【4 4 4 5 1 。我国学者 连业达、周云等人 4 6 4 9 】对摩擦阻尼支撑结构进行了相关动力研究，得到提高摩擦阻尼器 工作性能的方法，如式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 所示。 只= k 月a l = y n c o s o ( 1 2 ) 式中，只是导致摩擦阻尼器滑动的外力，为作用于摩擦副上的正压力；为耗能面 摩擦系数；y 表示阻尼器工作期间摩擦力的衰减系数；妒表示摩擦支撑与水平面的夹角。 6 济南大学硕士学位论文 = 寰糍 ( 1 3 ) 式中，为系统阻尼比；整为摩擦阻尼器相对运动总位移；岛为阻尼器作用过程( 即 越) 时间；2 为阻尼器相对运动速度的均方根值。 通过上式看出，为改进摩擦阻尼器的耗厶匕i - , 厶匕i ：j l 二力，可选择改进预压力、摩擦副表面喷 涂高摩擦材料等方法。根据作动原理，可采取一定措施减低摩擦力的衰减系数，也可采 用多组安装摩擦装置的方法来提高阻尼比。 1 3 3 摩擦阻尼器性能试验研究 随着耗能构件( 阻尼器) 在振动控制中的广泛应用，选用其某些参数以衡量其耗能 能力也成为一个设计中所要考虑的问题。为检验阻尼器结构参数对耗能效果的影响、阻 尼器的振动控制效果，设计性能试验是最为科学、有效的手段之一。用试验方法获取阻 尼器作动过程中的力值、位移等参数，利用耗散功率、力一位移滞回曲线等手段研究其 耗能能力，多采用往复循环试验方法评定岭0 。5 5 j 。 耗能能力可通过阻尼器耗散功率评价、比较。分析加载阻尼器的设备振动工况中， 正功率同负功率的面积差对加载时间的比值为阻尼器系统的耗散功率，功率同时间的分 布关系为耗散功率谱，可对阻尼器的耗散性能进行定性分析【5 3 5 5 】。耗散功率可以显示阻 尼器多循环耗能能力、相对耗能比例，以及外部加载幅值、频率、波形等因素对阻尼器 减振能力的影响变化。因此耗散功率可以合理的表示不规则外部加载下，如海洋波浪、 地震、风振作用下阻尼器的耗能情况。 簸穆g j m 獭 l 妻秘 攀鳓 瓤 通磐 露秘 释嵇 图1 4 位移时程曲线图1 5 力一位移滞同曲线图1 6 耗散功率谱 力一位移曲线是阻尼器的重要研究指标，可以显示阻尼器循环作用中的位移、频率、 力值、滞回耗能能力和残余弹性应变能。 反馈控制摩撩阻尼器设计及耗能机理研究 邱法维对阻尼器进行了单调加载试验，振源分别选用正弦波、三角波，研究其性能 变化规律、极值大小以及相位位置差别，性能指标分别如图( 1 4 ) ( 1 6 ) 所示 5 6 1 。苏 毅设计了性能试验评定筒式粘弹性阻尼器的动力耗能性能，并研究了振源振动循环次数 对阻尼器动态力学性能的影响，评价了阻尼器的耐疲劳性能，并改进其结构【5 刀。 1 4 摩擦耗能器在半主动控制中的应用 摩擦阻尼器结合半主动控制方法，具有优良的减振能力，两者的综合研究开始于2 0 世纪9 0 年代。相对于普通被动摩擦阻尼器，具有显著的优越性能，引起国内外学者的广 泛关注研究【5 8 - 5 9 1 。 1 4 1 振动控制应用研究 李宏男、李军等设计了一种半主动摩擦阻尼器，并对其进行了相关耗能性能的仿真 研究，得出了摩擦阻尼器对楼层的速度相应绝对值的影响规律，并给出反馈控制半主动 摩擦阻尼器相关研究方法。研究中运用时程分析法，设计了振动控制系统，检验了系统 在近断层地震波作用下的有效性【6 0 。谭平、周福霖设计开发出一种新型主动变刚度阻尼 器，该阻尼装置具有两种等效刚度，能够调整结构而避免发生共振【6 1 1 。胡卫兵、王骏涛 等将压电摩擦阻尼器和叠层橡胶垫组成一种新型智能隔振系统，并应用m a t l a b 模拟地震 作用下的结构上部的动力反应，同非隔震结构、被动隔震结构进行对比显示该方法具有 更加良好隔震效果【6 2 1 。 1 4 2 阻尼器反馈控制方法研究 目前国内外众多学者已提出多种摩擦阻尼器相适应的控制算法。季宏丽等提出一种 基于同步开关阻尼技术方法，该半主动控制效果取决于电路品质因子、系统切换延时时 间，通过相关试验平台完成了阻尼器性能试验，验证了该阻尼技术的分析结果正确、可 靠 6 3 。邓文艳等根据压电陶瓷的伸缩变形原理改变摩擦片间的紧固力而调整阻尼力，该 方法调整结构简单、灵敏度高、阻尼响应迅速，结论证明该阻尼器具有一定智能特性， 在不同地震水平下能起到较为理想的耗能减振作用【删。 济南大学硕士学位论文 1 5 课题主要研究内容 本文结合摩擦阻尼器的库伦模型和基于振源信号的变力特性，设计反馈控制摩擦阻 尼器，构建该阻尼器数学模型，并对其进行理论分析、仿真分析和耗能性能试验研究。 主要研究内容如下： 一、反馈控制摩擦阻尼器的结构设计 针对摩擦阻尼器耗能能力单一、被动耗能不可调的局限性，设计一种合理有效的反 馈控制摩擦阻尼器，并对该阻尼器的关键部件进行强度分析，对主要性能影响参数进行 一定研究。 二、反馈控制摩擦阻尼器的耗能理论分析 构建反馈控制摩擦阻尼器的数学模型，利用m a t l a b 进行分析，对阻尼器主要性能 影响参数进行研究。主要研究对象包括：阻尼器作动杆直径、增压气室初始体积、初始 压力等。通过阻尼力和作动位移之间关系，并结合摩擦库伦模型，得出该类阻尼器的力 位移滞回曲线，通过该曲线评价耗能减振能力。 三、阻尼器性能仿真分析 使用有限元方法，对反馈控制摩擦阻尼器的耗能性能仿真。通过振动位移的加载获 得阻尼力的变化规律。 四、阻尼器性能试验研究 设计、制造阻尼器的试验样机，并根据样机阻尼力范围选择合适的试验机，对反馈 控制摩擦阻尼器进行作动试验。具体试验方案是： ( 1 ) 阻尼器静态性能试验。将阻尼器试验样机夹持于w d w - 5 0 电子万能试验机， 控制试验机进行静态试验，并记录试验过程数据。 ( 2 ) 阻尼器动态阻尼力测试试验。将阻尼器试验样机夹持于p w s 一1 0 0 液压万能试 验机，控制试验机作动振幅、频率等因素进行试验，并记录实验过程数据。 五、理论及仿真分析结果验证 综合试验验证理论模型以及有限元分析结果正确性，整理分析试验数据，得出阻尼 器性能影响因素及规律。 反馈控制摩擦阻尼器设计及耗能机理研究 1 6 本章小结 本章简要介绍了本课题的研究背景、意义及主要内容，对国内外振动控制方法、摩 擦阻尼器研究现状进行了综述。本课题研究的反馈控制摩擦阻尼器产生的阻尼力基于被 控结构振幅变化，其阻尼力适应调节，以期达到更为优良的耗能减振效果。最后介绍了 本课题的主要研究内容。 济南大学硕士学位论文 第二章反馈控制摩擦阻尼器设计 摩擦阻尼器以其取材方便、成本低廉、耗能性能优良的特点，已广泛应用于在现代 振动控制领域中。阻尼器使用中发现，摩擦阻尼器耗能性能有以下不足需要改进： ( 1 ) 摩擦结构可调性不足，耗能能力单一，为外部结构提供恒定的正压力。 ( 2 ) 摩擦阻尼器正压力始终存在，起滑力不容易选择，且容易冷粘结。 ( 3 ) 未能实现根据振源信号反馈控制，灵敏度不够高。 以上因素决定了传统摩擦阻尼器应用的局限性，在振动工况复杂多变的振动控制 中，减振效果不够理想。 在载荷情况多变复杂的工程领域中，