《工程结构黏滞消能减振技术-试验结果与分析》

1）试验结果

通过试验，得到阻尼器H1、H2在上述各工况下的阻尼力—位移滞回曲线。因篇幅所限，由图4-4至图4-5表示其中部分试验结果。

图4-4　阻尼器H1部分试验结果

图4-5　阻尼器H2部分试验结果

2）试验结果分析

（1）阻尼介质黏度对阻尼器性能的影响

由试验所得螺旋孔式阻尼器的阻尼力—位移滞回曲线平滑饱满，当阻尼介质黏度较高时，带有一定的瞬时刚度。

图4-6　阻尼介质黏度对阻尼器性能的影响

阻尼器H1（阻尼介质为硅油基黏滞材料-1），其滞回曲线形状接近于椭圆，阻尼器H2（阻尼介质为硅油基黏滞材料-2）的滞回曲线形状为略微倾斜的平行四边形。在相同工况条件下，后者滞回曲线包围的面积更大，耗能能力更强（图4-6表示在频率为0.25 Hz，幅值为±30 mm的正弦波加载条件下，阻尼器H1、H2的阻尼力—位移滞回关系曲线）。

（2）活塞运动速度对阻尼器性能的影响

由于黏滞流体阻尼器为一种速度相关型阻尼器，尽管螺旋孔式阻尼器的构造与细长孔式阻尼器不同，但是活塞运动速度依旧是影响输出阻尼力大小的主要因素之一。在试验工程中，通过调整加载频率或改变控制位移幅值，使阻尼器活塞的相对运动速度产生变化，研究阻尼器在活塞不同运动速度时的力学性能。

图4-7　加载频率对阻尼器性能的影响

通过阻尼器力学性能试验可以看到，在同一温度和加载频率下，随着输入位移幅值的增加，滞回环所包围的面积逐渐增大，耗能能力也随输入位移幅值的增大而增强（参见图4-4、图4-5）。在同一温度和控制位移下，随着加载频率的增大，滞回曲线逐渐趋于饱满，阻尼力随加载频率的增大而增大，耗能能力也随加载频率的增大而增强（如图4-7所示）。图4-7为阻尼器H2在正弦波加载，位移幅值为±10 mm，加载频率分别为0.1 Hz、0.25 Hz、0.5 Hz时的阻尼力—位移关系曲线。

通过试验可以发现，螺旋孔式阻尼器输出阻尼力的大小受加载频率和位移幅值的影响，但其本质是与活塞的最大运动速度相关。由图4-4、图4-5和图4-7可以看到，阻尼器输出阻尼力的大小随加载频率和位移幅值的变化而改变，但是经过进一步分析可知，同一阻尼器在受到外界激励后，无论运动频率和幅值是多少，只要活塞的最大相对运动速度相同，其输出的阻尼力就相同（参见图4-8）。

图4-8　最大加载速度相同时阻尼器性能

由前述分析知，阻尼器输出阻尼力F的大小与活塞的运动速度V相关，为了研究阻尼力F与活塞运动速度V之间的规律，通过在试验中采集的不同阻尼器在不同工况下的阻尼力、位移以及采样时间之间对应的数据，经过数学方法处理就可得到阻尼力与速度的关系曲线（参见图4-9）。

由图4-9可以看出，在活塞往复运动过程中，阻尼器的阻尼力—速度关系曲线并不重叠为一条线，而是形成一个包络一定面积的闭合曲线，且不同阻尼器的包络曲线形状并不相同，阻尼器H1的F—V包络曲线形状接近于梭形，而阻尼器H2的F—V包络曲线形状则更类似于S形，这主要是不同阻尼介质的本构关系不同所致。

图4-9　阻尼器F—V关系曲线

此外，根据图4-9还可知，同一阻尼器在最大加载速度相同，但激励频率和加载幅值不同的工况下，F—V关系曲线也并不完全重合，一般加载频率大的工况，F—V曲线包围的面积也相对较大。

（3）环境温度对阻尼器性能的影响(www.xing528.com)

图4-10　阻尼器温度相关性能

为研究环境温度对阻尼器性能的影响，在试验过程中，保持激励频率、输入位移和阻尼介质不变，仅改变环境的温度，得到不同温度条件下阻尼器的滞回曲线。由试验可知，随着温度的变化，滞回环包络面积的大小有所变化，随着环境温度的升高，输出阻尼力有所减小，然而降幅不明显（参见图4-10）。

图4-10为阻尼器H1在f=0.75 Hz、u0=±25 mm及正弦波加载条件下，不同工作温度情况下的阻尼力—位移滞回曲线。由图4-10可见，阻尼器在不同温度环境下的工作性能比较稳定，阻尼器H1在30～80℃范围内，滞回曲线都比较饱满。试验过程中，最大输出阻尼力的波动范围仍在15%以内，阻尼器的耗能能力比较稳定。

图4-11　阻尼器性能与加载频率关系

（4）阻尼器刚度问题

通过阻尼器的性能试验发现，螺旋孔式阻尼器受到外界能量输入后，导杆带动活塞往复运动，外界激励衰减后，活塞随即停止运动，不像弹簧在外界作用力消失后恢复到初始状态，可见该型阻尼器基本无刚度。

但是通过试验还发现，随着加载频率的增加，阻尼器的力—位移滞回曲线逐渐产生一定程度的偏转，说明因加载工况的不同，阻尼器产生一定程度的瞬时刚度（参见图4-11）。经分析认为，其产生的原因类似于细长孔式阻尼器。

图4-11为阻尼器H1在正弦加载情况下（u0=±10 mm）的阻尼力—位移滞回曲线，随着加载频率的逐步递增（0.5～1.0 Hz），滞回曲线的倾斜角度逐步加大，说明加载频率的高低会影响到阻尼器的瞬时刚度大小。

（5）阻尼孔构造对阻尼器性能的影响

由本章4.1节分析可知，螺旋孔式阻尼器与细长孔式阻尼器相比，因为阻尼孔构造形式的不同，当活塞发生往复运动时，阻尼介质在通过阻尼孔时的流态以及能量耗散机理也不尽相同，为此对两种阻尼器进行了性能对比分析。

图4-12为阻尼器S1、H1在相同加载工况下的阻尼力—位移滞回曲线对比。阻尼器S1、H1除阻尼孔的构造形式不同外，其余结构参数及阻尼介质完全一样。由图看到，同一加载条件下，阻尼器S1的最大输出阻尼力（150 k N）小于阻尼器H1（240 k N），后者的滞回曲线更饱满，耗能能力更强。

图4-12　不同构造阻尼器阻尼力—位移滞回曲线对比

从图中还可以发现，随着加载频率的增大，两种阻尼器均逐步出现瞬时刚度，且在相同激励下，阻尼器H1的刚度要大于S1，经分析认为，主要是在活塞运动速度相同的情况下，因为构造的不同，H1的输出阻尼力和缸筒内部压力要大于S1，使得阻尼器导杆、活塞以及阻尼介质产生的瞬时弹性变形也较大，所以出现图示刚度不等的现象。

图4-13为阻尼器S1、H1在相同加载工况下的阻尼力—速度关系曲线对比。从图可见，这两种阻尼器的F—V关系曲线都包络一定的面积，且在最大加载速度相同的情况下，激励频率大的工况相对包围的面积更大；在相同的加载条件下，阻尼器H1的F—V曲线包络面积要大于阻尼器S1的。

图4-13　阻尼器阻尼力—速度关系曲线对比

（6）阻尼器的疲劳性能

用于结构减振的阻尼器必须具备优良的抗疲劳性能。这里，对阻尼器H1进行了疲劳性能试验，所施加的力为f=1.0 Hz的正弦力，加载幅值为±4 mm，进行了20 000次循环的疲劳试验（试验结果参见图4-14）。

图4-14　阻尼器疲劳试验结果

根据图4-14可见，阻尼器H1在整个试验过程中，阻尼力—位移滞回曲线始终非常饱满，第500个循环与其后的第10 000个循环以及第20 000个循环相比，滞回环的形状和大小基本没有发生变化。根据对几个试验循环控制点记录的数据进行分析后可知，阻尼器的拉、压最大输出阻尼力的波动幅值控制在10%以内。

通过阻尼器的疲劳试验可知，该型阻尼器在往复循环工作状态下具有很好的稳定性，抗疲劳性能能够满足实际工程的需要。